Компьютерная обработка информации

Процесс обработки информации

Понятие алгоритма и его свойства

До 40-х гг. прошлого столетия под алгоритмом понимали конечную совокупность точно сформулированных правил, которые позволяли решать те или иные классы задач. Основные свойства такого «интуитивного» понятия алгоритма:

1) Дискретность. Это свойство означает, то что алгоритм должен быть разбит на отдельные достаточно простые действия, причем выполнение каждого шага начинается после завершения предыдущего;

2) Массовость. Подразумевается, что алгоритм позволяет решать не одну конкретную задачу, а некоторый класс задач данного типа, но при этом обеспечивается возможность изменения исходных данных в определенных пределах;

3) Детерминированность. Процесс применения правил к исходным данным (путь решения задачи) однозначно определен;

4) Результативность. На каждом шаге процесса известно, что считать результатом этого процесса, а сам процесс должен прекратиться за конечное число шагов.

В общем случае при составлении алгоритма конкретной задачи актуальное значение имеет такое представление алгоритма, которое позволяет наиболее быстро реализовать его механизированным путем, в частности, с помощью ЭВМ. При этом для решения задачи с помощью ЭВМ ее необходимо запрограммировать, т. е. представить алгоритм решения задачи в виде последовательности команд, которые может выполнять машина. Однако процесс записи алгоритма в виде последовательности машинных команд очень длительный и трудоемкий. Его также можно автоматизировать, если использовать для записи алгоритмов алгоритмические языки, представляющие собой набор символов и терминов, связанных синтаксической структурой. Алгоритмы, записанные на алгоритмическом языке, автоматически с помощью специальной программы-транслятора переводятся в машинные программы для конкретной ЭВМ.

Алгоритм — конечный набор правил или команд (указаний), позволяющий исполнителю решать любую конкретную задачу из некоторого класса однотипных задач.

Исполнителем может быть человек, группа людей, станок, компьютер и др.

Основными формами представления алгоритма являются: словесное описание, псевдокод, блок-схема, алгоритмический язык программирования.

 

Компьютерная обработка информации

 

5.2.1. Основные виды обработки данных

 

В настоящее время во всех вычислительных машинах информация представляется с помощью электрических сигналов. При этом возможны две формы представления численного значения какой-либо переменной, например X:

• в виде одного сигнала — например, электрического напряжения, которое сравнимо с величиной X (аналогично ей). Например, при X = 2003 единиц на вход вычислительного устройства можно подать напряжение 2,003 В (масштаб представления 0,001 В/ед.) или 10,015 В (масштаб представления 0,005 В/ед.);

• в виде нескольких сигналов — нескольких импульсов напряжений, которые сравнимы с числом единиц в X, числом десятков в X, числом сотен в X и т. д. (например, при X, равном 1995 единицам, на вход вычислительного устройства можно подать четыре импульса напряжением 1 В, 9 В и 5 В).

Первая форма представления информации (с помощью сходной величины - аналога) называется аналоговой, или непрерывной. Величины, представленные в такой форме, могут принимать принципиально любые значения в определенном диапазоне. Количество значений, которые может принимать такая величина, бесконечно велико. Отсюда названия — непрерывная величина и непрерывная информация.

Вторая форма представления информации называется дискретной. Такие величины, принимающие не все возможные, а лишь вполне определенные значения, называются дискретными (прерывистыми). В отличие от непрерывной величины количество значений дискретной величины всегда будет конечным.

Сравнивая непрерывную и дискретную формы представления информации, нетрудно заметить, что при использовании непрерывной формы для создания вычислительной машины потребуется меньшее число устройств (каждая величина представляется одним, а не несколькими сигналами), но эти устройства будут сложнее (они должны различать значительно большее число состояний сигнала).

 

5.2.2. Обработка аналоговой и цифровой информации

 

Обработка информации — преобразование одних «информационных объектов» (структур данных) в другие путем выполнения некоторых алгоритмов.

Исполнитель алгоритма — абстрактная или реальная (техническая, биологическая или биотехническая) система, способная выполнить действия, предписываемые алгоритмом.

В современной информатике основным исполнителем алгоритма является ЭВМ, называемая также компьютер (от англ., computer — вычислитель).

ЭВМ — электронное устройство, предназначенное для автоматизации процесса алгоритмической обработки информации и вычислений.

В зависимости от формы представления обрабатываемой информации вычислительные машины делятся на три больших класса:

• цифровые вычислительные машины (ЦВМ), обрабатывающие информацию, представленную в цифровой форме;

• аналоговые вычислительные машины (АВМ), обрабатывающие информацию, представленную в виде непрерывно меняющихся значений какой-либо физической величины (электрического напряжения, тока и т. д.);

• гибридные вычислительные машины (ГВМ), содержащие как аналоговые, так и цифровые вычислительные устройства.

АВМ предназначены в основном для решения задач, описываемых системами дифференциальных уравнений: исследования поведения подвижных объектов, моделирования процессов и систем, решения задач параметрической оптимизации и оптимального управления.

В основу функционирования АВМ заложен принцип аналогии, заключающийся в том, что входной физической величине в машине ставится в соответствие величина другой физической природы, но меняющаяся по тому же физическому закону, что и входная. Так, при использовании в качестве модели (аналога) объекта электронных цепей каждой физической переменной величине (давление, температура, электромагнитное поле и т. д.) ставится в соответствие определенная переменная величина электронной цепи. В отличие от ЦВМ, точность которых определяется их разрядностью, точность вычислений на АВМ ограничена и характеризуется качеством изготовления элементной базы и основных узлов. В то же время, для целого класса задач скорость решения задач на АВМ может быть значительно выше, чем на ЦВМ. Это объясняется параллельным принципом решения задач на АВМ, при котором решение получается мгновенно и одновременно во всех точках модели. Данная особенность обусловливает использование АВМ в замкнутых системах автоматического регулирования и для решения задач в режиме реального времени.

Гибридные вычислительные машины, содержащие как аналоговые, так и цифровые вычислительные устройства, совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. В таких машинах цифровые устройства обычно служат для управления и выполнения логических операций, а аналоговые устройства — для решения дифференциальных уравнений.

В настоящее время подавляющее большинство компьютеров являются цифровыми, далее слова «компьютер» или «ЭВМ» будем употреблять в значении «цифровой компьютер». Для обработки аналоговой информации на таком компьютере ее сначала преобразуют в цифровую форму.

В ЭВМ последовательность действий, составляющих задачу обработки информации, называют процессом.

Процесс определяется программой, состоящей из машинных команд, набором данных, а также дескриптором процесса, который описывает текущее состояние любого выделенного процессу ресурса ЭВМ.

Каждый сеанс пользователя с вычислительной системой, например ввод-вывод данных в ЭВМ, также является процессом. В вычислительной системе может одновременно существовать произвольное число процессов, поэтому между ними возможна конкуренция за обладание тем или иным ресурсом, в первую очередь временем процессора — основного вычислительного устройства. Это приводит к необходимости управления процессами и их планирования. Для этого служат операционные системы (ОС), включающие совокупность программ для управления процессами, распределения ресурсов, организации ввода-вывода и интерфейса.