Инструментальная система – это программная система (лучше говорить о программной среде, куда включаем и пользователя, так как именно пользователь, его знания, умения, навыки делают эту систему менее или более эффективной) для ускоренной и малоресурсной разработки каких-то других программ (или обработки данных), как системных или прикладных, так и новых инструментальных.
Пример. Рассмотрим инструментальную среду – графический редактор, который позволяет визуализировать графические объекты двумя основными способами: векторно или растрово. Векторный подход динамически постепенно формирует на экране (который рассматривается как некоторое координатное пространство) объект по его представлению, составленному из графических примитивов. Растровый подход формирует на экране весь объект целиком на основе его макета (шаблона, графических примитивов в видеопамяти), состоящего из отдельных кластеров пикселей в некоторой пиксельной двухмерной матрице (аналоге листа для рисования с декартовой системой координат). В этой матрице записывается информация о яркости и цвете кластера изображения (на один пиксель иногда 1-2 байта и более), а сама матрица может иметь размерность 1024x1024 пикселей и более. Сформированное в пиксельной матрице изображение хранится в видеопамяти дисплея и выводится на экран в режиме кадровой регенерации. Изображение в цвете (рисование в цвете) – это манипуляция пикселями этой матрицы. Графические 3D-редакторы изображений позволяют не только конструировать 3D-объекты, но и перемещать их по задаваемой траектории, то есть осуществлять анимацию. Одной из мощных графических сред является пакет 3D-Studio Max фирмы Autodesk. Кроме этого пакета, широко используются графические пакеты:
- GRAFLotus Freelance – для работы с деловой и компьютерной графикой;
- Splash и Fanta – для работы в области дизайна и компьютерных фильмов;
- AutoCAD – для автоматизации проектно-конструкторских работ;
- CorelDraw, PaintBrush, AdobeIllustrator – для разнообразных приложений.
Трансляторы подробно рассматриваются нами ниже.
Рассмотрим интерфейсные системы обеспечения дружественного интерфейса между пользователями и программами).
Пример. Наиболее ранняя интерфейсная система – Norton Commander (Нортон Коммандер, автор – Питер Нортон). Системы, подобные Norton Commander (NC), называются операционными оболочками и их можно отнести к инструментальным средам (инструментарий более удобного, комфортного интерфейса с ОС, с файловой системой, минуя утомительный командный язык ОС). Такая система позволяет визуально и удобно выполнять копирование, создание, удаление, переименование, перемещение, просмотр и поиск файлов и т.д. NC использует управляющие и функциональные клавиши, которым соответствуют определенные операции и отклики системы:
- Esc – отмена выполняемой функции;
- Enter – выполнение функции;
- Тab – смена текущей (активной) панели на другую (ранее пассивную);
- PgUp (PgDn) – переход на страницу вперед (назад);
- Home (End) – установка на начало (конец) каталога;
- Ñ,Ó,Ò,Ô – клавиши перемещения курсора влево, вверх, вправо, вниз;
- Ctrl-S (одновременное нажатие клавиш Ctrl и S) — на символ влево;
- Ctr-D (Ctr-A,Сtrl-F) – на символ вправо (на слово влево, на слово вправо);
- F1 – клавиша помощи, подсказки по активному состоянию (клавиша help);
- F2 – запись на диск активного файла;
- F3 – просмотр содержимого активного файла;
- F4 – редактирование активного файла;
- F5 – копирование активного файла в активный каталог на другой панели;
- F6 – переименование (перенос) активного файла;
- F7 – создание нового каталога (подкаталога);
- F8 – удаление активного файла;
- F9 – активизация команд панели (системного меню) NC;
- F10 – выход из NC.
Более развитым отечественным аналогом NC для Windows-систем является, например, оболочка FAR-менеджер (рис. 1).
Проблемно-ориентированные инструментальные системы служат для решения достаточно широкого класса задач некоторой профессиональной, проблемной ориентации: САПР – системы автоматизации проектирования, АСУ – автоматизированные системы управления, АРМ – автоматизированные рабочие места, СУБД – система, обеспечивающая интерфейс программ пользователя и данных из базы данных, ЭС – экспертные системы, системы накопления, хранения и актуализации опыта, знаний, умений, навыков (экспертных суждений) экспертов и др.
Рис. 1. Интерфейс FAR-менеджера
Автономные программы – это те программы, которые в громадном количестве ежедневно разрабатываются и используются для различных прикладных целей (обучения, вычисления, моделирования и т.д.).
Библиотеки программ – совокупность программ для решения задач определенной направленности (например, решения систем алгебраических уравнений), с описанием, каталогом, инструкциями и размещенные на внешних носителях таким образом, чтобы иметь возможность легко подключаться к решаемой задаче (к выполняемой программе) по ходу ее решения.
Пакет прикладных программ (ППП) состоит из следующих обязательных частей:
1. описание, представление класса задач, решаемых с помощью ППП;
2. комплекс программ, обеспечивающих построение прикладных программ ППП (технологической цепочки);
3. комплекс прикладных программ, обеспечивающих решение задач из предметной области ППП;
4. входной язык (язык запросов) ППП;
5. база данных для хранения данных, передача их модулям ППП;
6. монитор (управляющая программа) ППП, обеспечивающая ввод задания (запроса), его расшифровку и построение технологической цепочки из модулей ППП для поиска ответа.
Пример. Простым и универсальным студенческим пакетом статистического анализа данных является пакет SPSS. Интерфейс пользователя с SPSS для Windows реализуется с помощью простых меню и диалоговых окон, то есть SPSS свободна от использования специально изучаемого командного языка пакета. Имеется редактор Data Editor для визуального контроля вводимых данных, функционально аналогичный редакторам табличных процессоров, например, Excel. По столбцам отображаются варьируемые переменные, а по строкам – наборы их вариации, причем с каждой из переменных можно ознакомиться путем вызова ее имени. Ввод данных – аналогичен вводу данных табличного типа (например, в Excel). В диалоговых окнах можно определять (вводить или вычислять) сложные выражения, используемые далее в расчетах. Есть возможность применения различных законов случайного распределения. Более мощным (но и более сложным в изучении и использовании) является математический пакет MathCAD.
Функциональная система интегрированного пакета программ состоит не из модулей (как в ППП), а из ППП.
Пример. Наиболее распространенный интегрированный пакет прикладных программ – MS Office (пакет автоматизации работы в офисе). В его ядро входят следующие пакеты: Word – текстовый редактор, Excel – электронная таблица, Access – СУБД, PowerPoint – система презентации и др.
Специальное (или уникальное) ПО разрабатывается для решения очень важных, уникальных проблем.
Пример. К такому классу ПО можно отнести программную систему управления кораблем "Буран".
12. Лекция: Формальные языки и грамматики
Рассматриваются основные сведения о формальных и естественных языках, грамматиках, типах грамматик, грамматическом анализе, переводе с языков, типах трансляторов.
Математический язык как форма выражения научного знания использовался еще в древности при решении практических задач.
Большую роль в развитии математики как языка – метаязыка наук – сыграла математическая логика, аксиоматизировавшая ряд теории, изучившая их логику, внутреннюю структуру.
Развитие информатики, особенно таких ее разделов, как теория формальных языков, грамматик, структур, алгоритмических языков и методов трансляции баз данных и знаний и других приводит к развитию, углублению, формализации и структурированию предметов наук.
В свою очередь, появилась возможность моделирования языковых структур, формализации, структурирования ряда языков общения, анализа и построения различного рода текстов и словарей, в том числе – их автоматического построения.
Язык, определенный с помощью алфавита (над алфавитом) X = { x 1, x 2,..., xn }, – это некоторая устная, звуковая, письменная или иная форма выражения слов над X, включая синтаксис – правила образования структур из слов и словосочетаний, семантику – правила проверки правильности, смысловой однозначности и совместимости синтаксических конструкций языка, состоящих из лексем. Для устных языков (общения) нужна и фонетика – правила произношения составных частей предложения, то есть фонем.
Язык как коммуникативный аппарат должен иметь определяющие конструкции слов над данным алфавитом, грамматические правила образования предложений из слов и соотнесения этих предложений тем явлениям и процессам, которые они описывают, или синтаксическим и семантическим правилам.
Пример. В частности, семантика изучает связи вида:
"знак, структура знаков 
значение объект";
а синтаксис – связи вида:
"знак, структура знаков объект".
Основные функции любого языка – отображение, передача, сжатие, хранение, актуализация информации с помощью сообщений на этом языке.
Пример. Запишем более кратко, сжато, точно (формализованно) факт "целое число x делится на целое число y без остатка". На математическом языке это будет иметь вид "Число x кратно числу y ". Факт, что числа x, y – целые, уже можно специально, как выше, не оговаривать, так как математическое понятие кратности это уже предполагает (аксиома). Запишем еще более кратко и формализовано на алгоритмическом языке Basic: "x mod y = 0". Здесь уже условие кратности область изменения аргументов не нужно оговаривать – они декларированы в языке Basic (в описаниях типов и операции mod).
Языки бывают естественного происхождения (например языки общения) и искусственного происхождения или формальные языки, разрабатываемые для общения человека с автоматом (компьютером) либо для описания и получения знаний.
Пусть X – некоторый алфавит, X = { x 1, x 2,..., xn }, а S (X) – множество слов над алфавитом X, тогда S (X) – бесконечное и счетное множество.
Формальный язык L (X) – произвольное подмножество S (X).
Формальный язык использует естественный язык как лексическую форму оформления входящих в него абстрактных объектов, как метаязык или язык для описания синтаксиса другого языка. Описываемый метаязыком язык в этом случае называется объектным языком (по отношению к метаязыку).
Формальная грамматика G состоит из совокупностей: T = { t 1, t 2,..., tk } – множество терминальных символов языка или множество основных понятий языка; N = { n 1, n 2,..., nm } – множество нетерминальных символов языка или вспомогательных понятий, обозначений конкретных классов слов, например, глаголов или предлогов, причем во множестве N содержится n 0 – начальный символ из N; P = { p 1, p 2,..., pq } – система подстановок (продукции) слов вида 
в слова 
или замен всех слов s 1(x) в рассматриваемой системе соотношений на слова вида s 2(x).
Язык (множество слов S (X)) задается грамматикой G (S) – структурой правил, которые позволяют порождать все слова 
и только их.
Грамматический анализ – процесс редукции (сведению, упрощению) к нетерминальному символу или слову.
Множество 
– словарь грамматики G. Правила вывода – это непустое множество правил вида 
, где 
, а " 
" – отношение вида "левое (можно) заменить на правое".
Слово 
выводимо из слова 
с помощью правила 
, если 
, 
. Последовательность 
называется выводом g из f, если fi+ 1 выводимо из fi для всех 
. Признаком завершения процесса (последовательности) вывода является отсутствие слова, выводимого из g.
Пример. Опишем элементы естественного, например, русского языка в терминах формальных грамматик. Алфавит языка X = {А, а, Б, б,..., Я, я,.,,,:,;,.,!,?, ", ", (,)}, T ={<корни>, <приставки> и т.д.}, N = {предложение, подлежащее, сказуемое, глагол, местоимение и т.д.}, n 0 = "предложение". Например, пусть
Т = {арбуз, банан, красный, греет, загорает, бок},
N = {сказуемое, подлежащее, определение, дополнение, группа подлежащего, группа сказуемого},
n0 = {предложение},
P = {p1: предложение → (группа подлежащего), (группа сказуемого),
p2: группа подлежащего → (определение) (подлежащее),
p3: группа сказуемого → (сказуемое) (дополнение),
p4: определение → "красный",
p5: подлежащее → "арбуз",
p6: подлежащее → "банан",
p7: сказуемое → "греет",
p8: дополнение → "банан",
p9: дополнение → "бок"}.
Тогда справедливы следующие выводы:
предложение (группа подлежащего) (группа сказуемого) →
(определение) (подлежащее) (группа сказуемого) →
(определение) (подлежащее) (сказуемое) (дополнение) →
"красный" (подлежащее) (сказуемое) (дополнение) →
"красный арбуз" (сказуемое) (дополнение) →
"красный арбуз греет" (дополнение) →
"красный арбуз греет бок".
Таким образом, мы по формальным правилам построили предложение естественного языка.
Различают четыре основных типа формальных грамматик.
Грамматика типа 0 (G –0) – грамматика, в которой нет ограничений на правила вывода (то есть в правиле вывода , f и g – любые).
Грамматика типа 1 (G –1) – грамматика, в которой содержатся правила вида 
, где n – нетерминальный символ 
, f 1, f 2, w – цепочки из словаря W.
Грамматика типа 2 (G –2) – грамматика, в которой допустимы лишь правила вида 
.
Грамматика типа 3 (G –3) имеет правила вида 
, либо 
, где 
.
Грамматики типа G –0 называются свободными, типа G –1 – контекстно-зависимыми, типа G –2 – контекстно-свободными, типа G –3 – регулярными или автоматными.
Выражение, записанное на метаязыке с помощью конечного (счетного) числа операций и операндов, называется регулярным выражением.
В формальных грамматиках рассматриваются три основные проблемы:
1. проблема вхождения – построить алгоритм, который для каждого задаваемого слова выясняет, принадлежит ли оно языку, допускаемому данной грамматикой;
2. проблема анализа – построить алгоритм, который для каждого слова, допускаемого данной грамматикой, строит вывод этого слова;
3. проблема оценки сложности алгоритма вывода (вычислений).
Если первые две задачи – преимущественно "грамматического" характера, то третья задача – более "алгоритмического" характера.
С появлением компьютеров повысились требования к точности и структурированности алгоритма. Для этих целей разрабатываются алгоритмические языки. Это формальный язык, формализованный язык, так как он включает в себя и математическую символику, например, числа, знаки операций, переменные, выражения и др.
Алгоритмический язык – средство записи алгоритмов для исполнения, изучения логики алгоритма. Основное отличие алгоритмического языка от языка программирования (хотя их часто отождествляют) состоит в том, что последний предназначен для записи и исполнения алгоритмов в виде, понятном и исполнимом ЭВМ.
Основные атрибуты языка алгоритмического (программирования):
1. константы – постоянные величины (числовые, символьные, логические);
2. символы – знаки, имеющие различные коды при переводе;
3. идентификаторы – имена, именования различных объектов алгоритма;
4. переменные – для именования изменяемых величин, параметров;
5. метки – именования различных частей, участков алгоритмов;
6. процедуры – функционально завершенные именованные части алгоритма;
7. описания – соглашения о типе, характере, структуре используемых данных и стандартизации представления (описания) данных;
8. комментарии – пояснения к различным участкам алгоритма;
9. операторы – команды преобразования используемых, получаемых данных или изменения порядка их выполнения;
10. выражения – записи, образуемые из постоянных, переменных и знаков операций и являющиеся источниками значений; сюда отнесем и функции стандартные (встроенные), с которыми можно оперировать, как и с переменными, в соответствии с их атрибутами.
Любые математические выражения записываются на алгоритмических языках по правилам не только математики, но и этого языка.
Пример. На алгоритмическом языке Basic математическое выражение
будет записано в виде y = 2^x + 3*sin(x – 4/5))*log(x + sqrt(x + 5)).
Пример. Выражению Basic w = sqrt((b + c)^2 + 2/a*x/c) соответствует математическое выражение вида 
.
Вычисление значений выражений на алгоритмическом языке происходит в соответствии с принятым в языке старшинством операций.
Пример. Найдем
b = log(ехр(5)) + min(max(3,2),6) + (15 mod 4)*int(1.99),
где min(x,y) и max(x,y) – функции, возвращающие минимальное и максимальное из двух чисел, соответственно.
Результат равен: b = 5 + min(3,6) + 3*1 = 5 + 3 + 3 = 11.
Первые ЭВМ поставлялись без программного обеспечения, и программисту приходилось описывать в программе все необходимое для ее работы. Разработка первых алгоритмических языков (например, ForTran) упростила программирование, увеличила число людей, решающих на компьютере свои задачи без привлечения программистов, положила начало двум основным направлениям в программировании: прикладному и системному программированию, а затем и третьему – инструментальному программированию.
Прикладной программист (обычно на языках программирования высокого уровня) разрабатывает программы решения конкретных естественнонаучных задач.
Системный программист (обычно на языках программирования низкого уровня) разрабатывает программы автоматизации процесса написания и отладки прикладных программ, распределения ресурсов между прикладными программами, управления процессом прохождения таких прикладных программ на ЭВМ, например, разрабатывает ОС.
Язык считается тем более высокого уровня, чем более он близок к языку естественному, и считается тем более низкого уровня, чем он ближе к языкам, реализуемым аппаратно, машинным.
Охарактеризуем эти уровни алгоритмических языков:
1. языки запросов (непроцедурные языки) предназначены для осуществления диалога с некоторым пакетом прикладных программ, — это языки имитационного моделирования, в частности язык SLAM и др.;
2. языки высокого уровня (проблемно-ориентированные языки) предназначены для решения определенного, но достаточно широкого класса задач, например, вычислительного характера или обработки текстов (символов) — это, к примеру, языки FORTRAN, BASIC, LISP и др.;
3. ассемблеры (семейство языков), предназначены для укрупнения и символической (мнемонической) записи машинных команд;
4. языки микроопераций (языки разработки микропрограмм) — собственно говоря, это и есть языки машинных операций.
Языки по типу их использования и сферам применения можно делить условно на следующие типы (это – не полная их классификация):
1. языки процедурные;
2. языки непроцедурные;
3. языки функционального программирования;
4. языки моделирования;
5. языки аналитических преобразований;
6. языки эвристические;
7. языки описания, представления объектных языков или метаязыки.
Возможно и такое деление языков (отражающее характер их использования):
1. метаязыки, языки описания других языков;
2. языки описания, формулирования задач;
3. языки описания технологии, сценариев решения задач;
4. языки описания, разработки программ решения задач (или кодирования алгоритмов, часто вычислительного характера);
5. языки описания, представления знаний (фреймовые языки);
6. языки описания, представления данных;
7. языки описания, формулировки решений задач.
В мире разработано несколько тысяч языков различного назначения.
Пример. Отметим следующие языки, которые оказали наибольшее влияние и преемственность в развитии языков программирования:
- ФОРТРАН, язык научно-технических расчетов, разработан в 1955 году фирмой IBM;
- АЛГОЛ, язык вычислительного характера, разработан в 1960 году Международным комитетом ученых;
- БЕЙСИК, простой язык для начинающих, разработан в 1965 году в Дортмунде;
- ПАСКАЛЬ, разработан в качестве языка учебного и исследовательского характера в 1969 году в Цюрихе Н. Виртом;
- СИ, разработан лабораторией BELL (США, 1972 г.) в качестве языка поддержки и программирования ОС UNIX;
- ПРОЛОГ, язык логического программирования, разработан Колмероэ в 1971-1973 годах;
- ПИТОН (ПАЙТОН), разработан в начале 1990-х годов Гвидо ван Россумом и является простым объектно-ориентированным языком, расширяемым, совершенствуемым пользователями;
- JAVA – язык, ориентированный на сеть Интернет и серверы WWW; рассмотрим этот язык подробнее ниже;
- HTML, предложен Тимом Бернерсом-Ли в 1989 году в качестве поддержки WWW-документов.
ЭВМ может исполнять программы, написанные на ее машинном языке, в машинных кодах. Для перевода с других языков на машинный язык составляется специальная программа, называемая транслятором. Алгоритм (программа на языке программирования) преобразуется в корректную последовательность команд и данных, загружаемых в память ЭВМ и выполняемых в ней аппаратно. Чем выше уровень используемого при составлении программы исходного языка, тем больше работ по трансляции программы. Транслятор переводит программу с исходного языка программирования на машинный язык загрузки ее в память и исполнения.
Существует два основных режима трансляции: компиляция и интерпретация. При интерпретации перевод на язык машины и выполнение каждой команды исходной программы осуществляется последовательно, покомандно, а полученная машинная программа пригодна только для одноразового решения задачи; данные вводятся при этом по мере трансляции. При компиляции до выполнения программы осуществляется полный перевод всей программы на машинный язык ЭВМ, затем полученная программа редактируется и загружается со всеми необходимыми для выполнения транслированной программы программами ОС в память ЭВМ и получается так называемый загрузочный модуль. Загрузочный модуль пригоден для многократного использования без повторной трансляции.
Пример. Язык Бейсик имеет трансляторы различного типа. Например, в среде TurboBasic (TBasic) – транслятор-интерпретатор, а в среде QuickBasic (QBasic) – транслятор-компилятор. Программа для TBasic интерпретируется по циклу: "ввод команды – перевод команды на внутренний машинный язык – ввод данных для данной команды – исполнение". Программа для QBasic компилируется по циклу: "перевод всех команд программы на внутренний язык – исправление ошибок в программе – ввод данных для программы – исполнение всей программы".
13 Лекция: Введение в моделирование объектов, процессов и явлений
Рассматриваются основные понятия моделирования (особенно, математического и компьютерного), типы и свойства моделей, жизненный цикл моделирования.
Модель и моделирование – это универсальные понятия, атрибуты одного из наиболее мощных методов познания в любой профессиональной области, познания объекта, процесса, явления (через модели и моделирование).
Модели и моделирование объединяют специалистов различных областей, работающих над решением межпредметных проблем, независимо от того, где эта модель и результаты моделирования будут применены.
Модель – это некоторое представление или описание оригинала (объекта, процесса, явления), которое при определенных предложениях, гипотезах о поведении оригинала позволяет замещать оригинал для его лучшего изучения, исследования, описания его свойств.
Пример. Рассматривая физическое тело, брошенное с высоты h и падающее свободно в течение t времени, можно записать соотношение: h = gt 2/2. Это физико-математическая модель системы (математическая модель физической системы) пути при свободном падении тела. При построении этой модели приняты следующие гипотезы:
1. падение происходит в вакууме (то есть коэффициент сопротивления воздуха равен нулю);
2. ветра нет;
3. масса тела неизменна;
4. тело движется с одинаковым постоянным ускорением g в любой точке.
Слово "модель" (лат. modelium) означает "мера", "способ", "сходство с какой-то вещью".
Проблема моделирования состоит из трех взаимосвязанных задач: построение новой (адаптация известной) модели; исследование модели (разработка метода исследования или адаптация, применение известного); использование (на практике или теоретически) модели.
Схема построения модели М системы S с входными сигналами X и выходными сигналами Y изображена на рис. 1.
Рис. 1. Схема построения модели
Если на вход М поступают сигналы из X и на входе появляются сигналы из Y, то задан закон, правило f функционирования модели, системы.
Классификацию моделей проводят по различным критериям.
Модель – статическая, если среди параметров описания модели нет (явно) временного параметра.
Модель – динамическая, если среди параметров модели явно выделен временной параметр.
