СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

Широкое использование в науке, технике и других сферах человеческой деятельности самой разнообразной информации потребовало создания удобных средств для ее хранения, обработки и передачи. В результате были созданы различные типы вычислительных машин (ВМ).

Термином вычислительная машина (ВМ) будем обозначать комплекс технических и программных средств, предназначенный дня автоматизации, подготовки и решения задач пользователей.

По форме представления информацию разделяют на аналоговую и дискретную. Обе формы имеют особое значение при создании, хранении, передаче и обработке информации с помощью средств вычислительной техники.

В вычислительных машинах информация представляется с помощью электрических сигналов. При этом возможны две формы представления числового значения какой-либо переменной, допустим X:

• ? в виде одного сигнала — например, электрического напряжения, которое сравнимо с величиной X (аналогично ей). Так, при X = 320 единицам на вход вычислительного устройства можно подать напряжение 3,2 В (масштаб представления 0,01 В/ед.);
• ? в виде нескольких сигналов — нескольких импульсов напряжений, которые сравнимы с числом единиц, десятков, сотен в X и т.д.

Первая форма представления информации (с помощью аналога) называется аналоговой или непрерывной. Величины, представленные в такой форме, могут принимать принципиально любые значения в определенном диапазоне. Число значений такой величины бесконечно велико, а отсюда и названия — непрерывная информация и непрерывная величина, т.е. промежутки между значениями, которые она может принимать, отсутствуют.

Вторая форма представления информации называется дискретной (с помощью набора напряжений, каждое из которых соответствует одной из цифр представляемой величины). Такие величины, принимающие не все возможные, а лишь определенные значения, называются дискретными. В отличие от непрерывной величины число значений дискретной величины всегда будет конечным.

Для создания вычислительной машины, использующей непрерывную форму представления информации, требуется меньшее число устройств, чем для ВМ, использующей дискретную форму, поскольку в первой каждая величина представляется одним, а не несколькими сигналами. Однако эти устройства будут сложнее, так как должны различать значительно большее число состояний сигнала.

В зависимости от формы представления данных различают аналоговые, цифровые (электронные) и гибридные вычислительные машины (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Классификация ВМ по принципу действия

В аналоговых ВМ используется непрерывная форма представления сигналов. Рабочие характеристики электронных схем в АВМ моделируют процесс вычислений. Например, для моделирования операции сложения двух чисел z = х + у можно использовать схему, выходное напряжение U_z которой представляет собой сумму двух входных напряжений. То есть, соединив последовательно два источника U_x и U_y, получим U₂ = U_x + U_y (рис. 4.2), где U_z = kz, если U_x = kx, U_y = ky, k = const.

Рис. 4.2. Схема моделирования операции сложения

Для изучения различных процессов и явлений в науке и технике широко применяют метод аналогий (рис. 4.3), когда вместо оригинала А изучают его модель В. Такое замещение возможно при наличии соответствий (аналогий) между А и В. Различают аналогии двух видов — физические и математические.

Рис. 4.3. Метод аналогий: оригинал и модель

В первом случае объект В является уменьшенной (реже увеличенной) копией оригинала, и при изменении оригинала требуется менять и модель, что является недостатком такого метода.

Во втором случае оригинал и модель имеют сходство математических описаний, хотя их физическая природа может быть совершенно разной.

Для исследования математических моделей используют АВМ, представляющие собой совокупность соединенных определенным образом так называемых решающих блоков, которые могут интегрировать сигнал, дифференцировать, выполнять любое его функциональное преобразование и т.п. (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Решающие блоки

Подготовка задачи для решения на АВМ, т.е. программирование, включает два этапа:

• 1) соединение (коммутация) решающих блоков в соответствии с задачей;
• 2) расчет масштабов физических величин и времени.

Все математические величины в ABM (МН-7, МН-18, АВК-31) представляются напряжением постоянного тока в диапазоне от -10 до +10 В.

Эти напряжения изменяются непрерывно во времени (могут принять любое значение в указанном диапазоне), моделируя изменение математических величин.

Достоинствами АВМ являются:

• ? высокое быстродействие, обусловленное тем, что вычислительный процесс разворачивается в пространстве, т.е. все решающие блоки работают параллельно, одновременно выполняя преобразования, на которые разбит процесс вычислений. Процесс можно развернуть и во времени, возлагая на одни и те же устройства различные преобразования (последовательно во времени), сократив число преобразующих устройств. Однако при этом потребуется запоминать промежуточные результаты. Запоминание большого числа физических величин без искажения их количественных характеристик связано с весьма серьезными техническими трудностями;
• ? простота программирования, которое сводится к соединению решающих блоков в соответствии с алгоритмом.

К недостаткам АВМ относятся:

• ? ручная коммутация решающих блоков (программирование), связанная с реализацией алгоритма. Правда, сейчас появляются работы по автоматизации программирования на АВМ (машина «Экстрэма»);
• ? низкая точность решения задач, обусловленная тем, что количественное соответствие между числом и моделирующей его физической величиной удается выдержать с ограниченной точностью. Поскольку установить или измерить напряжение точно нельзя, исходные данные будут содержать ошибки, которые будут присутствовать во всех промежуточных и окончательных результатах. Кроме того, каждый решающий блок вносит свою погрешность, т.е. точность решения задачи на АВМ прямо связана с точностью решающих блоков, которая зависит, в свою очередь, от точности элементов, из которых блоки построены. Точность современных АВМ составляет сотые доли процента.

Эти машины предназначены в основном для решения задач, описываемых системами дифференциальных уравнений: исследование поведения подвижных объектов, моделирование процессов и систем, оптимальное управление.

Однако из-за сложности технической реализации устройств выполнения логических операций с непрерывными сигналами, длительного хранения таких сигналов и их точного измерения АВМ не могут эффективно решать задачи, связанные с хранением и обработкой больших объемов информации, которые легко решаются цифровыми электронными вычислительными машинами (ЭВМ).

ЭВМ, компьютер, вычислительная система — это слова-синонимы, они обозначают одно и то же.

Современные ЭВМ представляют собой сложный комплекс технических и программных средств, предназначенных для решения задач научного и технического характера в целях выполнения экономических и стратегических расчетов, решения задач управления различными технологическими процессами и объектами. Разнообразие областей применения существенно влияет на архитектуру ЭВМ, состав и назначение ее устройств, организацию процессов вычислений.

Термин «электронная ВМ» не совсем точен, ибо он отражает применяемую для построения ЭВМ техническую базу, а не принцип устройства. Термин вычислительная машина (ВМ) тоже устарел, поскольку современные ЭВМ решают не только вычислительные задачи, но и многие другие, в том числе:

• ? информационно-поисковые;
• ? издательской деятельности;
• ? перевода с одного языка на другой;
• ? игры в шахматы и др.

Поэтому сегодня наряду с термином ЭВМ чаще используют термин «компьютер» (computer — вычислитель). Решение любой задачи на компьютере сводится к обработке информации.

ЭВМ— система по обработке информации, которая состоит:

• ? из аппаратных средств (электронных и электромеханических устройств);
• ? программных средств (программное обеспечение);
• ? документации.

Таким образом, структура вычислительной системы допускает деление ее на уровни, самыми низкими из которых являются аппаратные или технические средства — интегральные логические микросхемы и электронные приборы.

Следующий уровень — архитектура, т.е. соединение элементов и характеристик ЭВМ, к которым имеет непосредственное отношение пользователь (этот уровень также можно считать аппаратным). На этом уровне иерархии элементами структуры ЭВМ являются память, процессор, устройство ввода-вывода и др.

Самый высокий и, возможно, самый существенный уровень — программное обеспечение или программы, управляющие работой ЭВМ. На этом уровне сама ЭВМ может считаться элементом (рис. 4.5).

Исходные данные задачи, являющиеся конкретной реализацией информации, обрабатываются на ЭВМ и преобразуются в результат на основе заданного алгоритма — программы (см. рис. 4.5).

Рис. 4.5. Представление ЭВМ на самом высоком уровне

ЭВМ выполняет заданную ей программу автоматически, т.е. без вмешательства человека. К достоинствам ЭВМ относятся универсальность и неограниченная точность. С помощью ЭВМ может быть решена любая задача, алгоритм которой известен, и в этом смысле ЭВМ является универсальным средством обработки информации.

В ЭВМ любые математические величины (данные) представляются в числовой форме, т.е. все исходные, промежуточные и окончательные результаты изображаются в виде совокупности цифр в двоичной системе счисления. При этом каждый разряд X, может принимать значение 0 или 1, т.е. является двоичной переменной, Xj е {0,1}. Физические значения переменной Xj соответствуют двум уровням напряжения, например:

Точность данных в ЭВМ определяется числом разрядов и их представлением, а не точностью элементов в каждом разряде. Таким образом, увеличивая разрядность машины (п = 32, 64, 128), можно увеличивать точность представляемых данных неограниченно.

Функциональные возможности современных ЭВМ (функция характеризует алгоритм работы системы, т.е. определяет правила получения результата), как основные, так и дополнительные, являются достаточно широкими и могут быть реализованы аппаратным, программным или аппаратно-программным способами.

Каждый из этих способов имеет свои плюсы и минусы и влияет на производительность ЭВМ, которая в ЭВМ общего назначения измеряется десятками и сотнями миллионов операций в секунду.

В результате совершенствования технологии изготовления ЭВМ увеличиваются их мощность и возможности и уменьшаются габариты. Так, современные микроЭВМ обладают практически теми же возможностями, которыми обладали большие ЭВМ 60-х гг. или мини-ЭВМ 70-х гг. XX в.

В ЭВМ, ориентированных на решение узкого класса задач, но с различными данными (специализированные ЭВМ), программу логично записать в ПЗУ, хранящее информацию при отключении питания, либо реализовать аппаратно, т.е. зашить в электронные схемы машины. В последнем случае повышаются надежность и быстродействие ЭВМ. Такой подход используют во многих видах бортовой ВТ, работающей в жестком режиме реального времени.

Гибридные вычислительные машины (ГВМ) сочетают достоинства аналоговых и цифровых вычислительных машин.

В настоящее время преобладает тенденция объединения разных вычислительных систем в вычислительные сети различного масштаба (рис. 4.6), что позволяет объединять информационно-вычислительные ресурсы для более эффективной реализации информационных процессов.

Рис. 4.6. Классификация компьютерных средств обработки информации

Вычислительная (компьютерная) сеть — комплекс территориально рассредоточенных ЭВМ различной производительности и терминальных устройств, соединенных между собой каналами передачи данных [5].

Чтобы определить производительность ЭВМ, часто указывают тактовую частоту микропроцессора, зная которую можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции и оценить быстродействие ЭВМ, которое измеряется в следующих единицах:

• ? МИПС (MIPS) — миллион операций в секунду над числами с фиксированной точкой;
• ? МФЛОПС (MFLOPS) — миллион операций в секунду над числами с плавающей точкой;
• ? ГФЛОПС (GFLOPS) — миллиард операций в секунду над числами с плавающей точкой.

Однако производительность компьютера определяется не только характеристиками применяемого микропроцессора, но и емкостью оперативной памяти, типами периферийных устройств, качеством конструктивных решений и др.

Микрокомпьютеры — это компактные по сравнению с мэйнфреймами ЭВМ, имеющие производительность до сотен МИПС. Персональные компьютеры — это микрокомпьютеры универсального назначения, рассчитанные на одного пользователя. Разновидностью микрокомпьютера является микроконтроллер — специализированное устройство, основанное на микропроцессоре и встраиваемое в систему управления или технологическую линию.

Мэйнфреймы — это более сложные и дорогие машины высокой производительности, максимальный объем оперативной памяти которых достигает 342 Тбайт.

Суперкомпьютеры (суперЭВМ) — высокопроизводительные, сверхбыстродействующие ЭВМ (более 100 МФЛОПС), создаются в виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем.