Конспект лекций к семинарам, страница 8

Еще один способ увеличения вычислительной мощности системы заключается в использовании параллельных расчетов на большом количестве отдельных компьютеров, соединенных в локальную или глобальную сеть. В настоящее время продолжается быстрый рост глобальной сети Интернет. Изначально эта сеть создавалась как прототип помехоустойчивой военной системы управления', затем она стала популярной среди ученых кибернетиков, а в последние годы Интернетом начали пользоваться самые широкие слои населения. Не так давно Интернет получил еще одно применение: поскольку он связывает по всему миру тысячи компьютеров, было решено использовать эту сеть для решения больших научных проблем. С точки зрения вычислительной мощности, система, состоящая из 1000 компьютеров по всему миру, не отличается от такой же системы из 1000 компьютеров, стоящих в одном помещении, хотя характеризуется задержкой и имеет некоторые другие технические характеристики.

Поместить 1 млн. не связанных друг с другом компьютеров в одну комнату достаточно легко при условии, что у вас достаточно денег и достаточно большая комната. Разместить 1 млн. не связанных друг с другом компьютеров по всему миру еще легче, поскольку не нужно искать большого помещения. Проблемы начинаются, когда вам требуется соединить эти компьютеры друг с другом для решения одной общей задачи. Поэтому была проведена большая работа в области технологии межкомпьютерных соединений, а различные технологии привели к появлению качественно отличных типов систем и различной организации программного обеспечения. Весь обмен информацией между электронными компонентами сводится, в конечном итоге, к отправке и приему сообщений, представляющих собой строго определенные последовательности битов.

1.7. Представление информации в компьютере. Программы

Представление информации в компьютере. Компьютер может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме. Вся другая информация (например, звуки, изображения, показания приборов и т.д.) для обработки на компьютере должна быть преобразована в числовую форму. Например, чтобы перевести в цифровую форму музыкальный звук, можно через небольшие промежутки времени измерять интенсивность звука на определенных частотах, представляя результаты каждого измерения в числовой форме. С помощью программ для компьютера можно выполнить преобразования полученной информации, например "наложить" друг на друга звуки от разных источников. После этого результат можно преобразовать обратно в звуковую форму.

Аналогичным образом на компьютере можно обрабатывать и текстовую информацию. При вводе в компьютер каждая буква кодируется определенным числом, а при выводе на внешние устройства (экран или печать) для восприятия человеком по этим числам строятся соответствующие изображения букв. Соответствие между набором букв и числами называется кодировкой символов.

Как правило, все числа в компьютере представляются с помощью нулей и единиц (а не десяти цифр, как это привычно для людей). Иными словами, компьютеры обычно работают в двоичной системе счисления, поскольку при этом их устройство получается значительно более простым. Ввод чисел в компьютер и вывод их для чтения человеком может осуществляться в привычной десятичной форме - все необходимые преобразования могут выполнить программы, работающие на компьютере.

Единицей информации в компьютере является один бит, т.е. двоичный разряд, который может принимать значение 0 или 1. Как правило, команды компьютеров работают не с отдельными битами, а с восемью битами сразу. Напомним, что восемь последовательных битов составляют байт. В одном байте можно закодировать значение одного символа из 256 возможных (256 = 2⁸).

Более крупной единицей информации является килобайт (сокращенно обозначаемый Кбайт), равный 1024 байтам (1024=2¹⁰).

Еще более крупные единицы измерения данных образуются добавлением префиксов мега-, гига-, тера-.

1 Мбайт =1024 Кбайт

1 Гбайт = 1024 Мбайт

1 Тбайт= 1024 Гбайт

Во многих случаях целесообразно использовать не восьмиразрядное кодирование, а 16-разрядное, 24-разрядное, 32-разрядное и более. Группа из 16 взаимосвязанных бит (двух взаимосвязанных байтов) в информатике называется словом. Соответственно, группы из четырех взаимосвязанных байтов (32 разряда) называются удвоенным словом, а группы из восьми байтов (64 разряда) – учетверенным словом.

Программы для компьютеров. Программы для первых компьютеров приходилось писать на машинном языке, т.е. в кодах, непосредственно воспринимаемых компьютером. Это было очень тяжелой, малопроизводительной и кропотливой работой, в ходе которой можно было весьма легко ошибиться. Для облегчения процесса программирования в начале 50-х годов были разработаны системы, позволяющие писать программы не на машинном языке, а с использованием мнемонических обозначений машинных команд, имен точек программы и т.д. Такой язык для написания программ называется автокодом, или языком ассемблера. Программы на ассемблере очень просто переводятся в машинные команды, это делается с помощью специальной программы, которая также называется ассемблером. Ассемблер и сейчас часто используется при программировании в тех случаях, когда требуется достичь максимального быстродействия и минимального размера программ либо наиболее полно учесть в программе особенности компьютера.

Однако написание программ на языке ассемблера все же весьма трудоемко. Для этого программист должен очень хорошо знать систему команд соответствующего компьютера, а в ходе работы ему приходится бороться не столько со сложностями решаемой задачи, сколько с переводом необходимых в задаче действий в машинные команды. Поэтому и после появления ассемблеров многие исследователи продолжали попытки облегчить процесс программирования, "научив" компьютеры понимать более удобные для человека языки составления программ. Такие языки стали называть языками программирования высокого уровня, а языки ассемблера и другие машинно-ориентированные языки – языками низкого уровня. Программы на языках высокого уровня либо преобразуются в программы, состоящие из машинных команд (это делается с помощью специальных программ, называемых трансляторами или компиляторами) либо интерпретируются с помощью программ-интерпретаторов.

Языки высокого уровня позволили значительно упростить процесс написания программ, так как они ориентированы на удобство описания решаемых с их помощью задач, а не на особенности какого-то конкретного компьютера. Разумеется, для каждой программы на языке высокого уровня искусный программист может написать на языке ассемблера более компактную и быстродействующую программу для выполнения тех же функций, однако эта работа является весьма трудоемкой, поэтому она имеет смысл только в особых случаях.

Первый коммерчески используемый язык программирования высокого уровня Фортран был разработан в 1958 г. в фирме IBM под руководством Джона Бэкуса. Этот язык был предназначен, прежде всего, для научных вычислений, и он (в усовершенствованном варианте) до сих пор широко используется в данной области. Для других применений было разработано множество различных языков высокого уровня, но широкое распространение получили лишь немногие из них, в частности Си и Си++, Паскаль, Бейсик, Лого, Форт, Лисп, Пролог и др.

1.8. Общая характеристика процессов сбора, обработки, хранения и передачи информации

Решение задач на компьютере включает следующие важнейшие, процедуры, которые могут быть сгруппированы по функционально- временным стадиям (рис. 1.11):

• сбор информации из внешних или внутренних источников и преобразование;

• передача информации;

• обработка входной информации на ЭВМ и представление ее в удобном виде;

• хранение информации;

• вывод информации для представления потребителям или передачи в другую систему.

Рис. 1.11. Основные этапы технологического процесса в информационных системах

Как правило, информация подвергается всем процедурам преобразования, но в ряде случаев некоторые процедуры могут отсутствовать. Последовательность их выполнения также бывает различной, но при этом некоторые процедуры могут повторяться. Состав процедур преобразования и особенности их выполнения во многом зависят от объекта, для которого осуществляется автоматизированная обработка информации.

Сбор и преобразование информации. Система сбора информации может представлять собой сложный программно-аппаратный комплекс. Как правило, современные системы сбора информации не только обеспечивают кодирование информации и ее ввод в ЭВМ, но и выполняют предварительную (первичную) обработку этой информации. Сбор информации - это процесс получения информации из внешнего мира и приведение ее к виду, стандартному для данной информационной системы. Обмен информацией между воспринимающей информацию системой и окружающей средой осуществляется посредством сигналов.

Сигнал можно определить как средство перенесения информации в пространстве и времени. В качестве носителя сигнала могут выступать звук, свет, электрический ток, магнитное поле и т.п. Подобно живым организмам, воспринимающим сигналы из внешней среды с помощью специальных органов (обоняния, осязания, слуха, зрения), технические системы для приема сигналов из окружающего мира оснащаются специальными устройствами. Вне зависимости от носителя информации (сигнала) типичный процесс обработки сигнала может быть охарактеризован следующими шагами. На первом шаге исходный (первичный) сигнал с помощью специального устройства (датчика) преобразуется в эквивалентный ему электрический сигнал (электрический ток). На втором шаге вторичный (электрический) сигнал в некоторый выделенный момент времени оцифровывается специальным устройством – аналого-цифровым преобразователем (АЦП). АЦП значению электрического сигнала ставит в соответствие некоторое число из конечного множества таких чисел. Таким образом, датчик и АЦП, связанные вместе, составляют цифровой измерительный прибор. Если этот прибор оснастить некоторым устройством для хранения измеренной величины – регистром, то на следующем шаге по команде от ЭВМ можно ввести это число в машину и подвергать затем любой необходимой обработке.

Конечно, не все технические средства сбора информации работают по описанной схеме. Так, клавиатура, предназначенная для ввода алфавитно-цифровой информации от человека, не имеет в своем составе АЦП. Здесь первичный сигнал – нажатие клавиши – непосредственно преобразуется в соответствующий нажатой клавише цифровой код. Но в любом случае, будь то цифровой измерительный прибор, клавиатура или иное устройство ввода информации в ЭВМ, в конечном счете, поступающая в ЭВМ нформация представлена в виде цифрового кода - двоичного числа.

Сбор и регистрация информации происходят по-разному в различных экономических объектах. Наиболее сложна эта процедура в автоматизированных управленческих процессах промышленных предприятий, фирм и т.п., где производятся сбор и регистрация первичной учетной информации, отражающей производственно-хозяйственную деятельность объекта.

Сбор информации, как правило, сопровождается ее регистрацией, т.е. фиксацией информации на материальном носителе (документе или машинном носителе). Запись в первичные документы в основном осуществляется вручную, поэтому процедуры сбора и регистрации остаются пока наиболее трудоемкими. В условиях автоматизации управления предприятием особое внимание придается использованию технических средств сбора и регистрации информации, совмещающих операции количественного измерения, регистрации, накоплению и передаче информации по каналам связи в ЭВМ с целью формирования первичного документа.

Передача информации. Передача информации осуществляется различными способами: с помощью курьера, пересылка по почте, доставка транспортными средствами, дистанционная передача по каналам связи. Дистанционная передача по каналам связи сокращает время передачи данных Для ее осуществления необходимы специальные технические средства.

Взаимодействие между территориально удаленными объектами (Осуществляется за счет обмена данными. Доставка данных производится по заданному адресу с использованием сетей передачи данных. В современных условиях большое распространение получила распределенная обработка информации, при этом сети передачи данных превращаются в информационно-вычислительные сети (ИВС). Важнейшим звеном ИВС является канал передачи данных, структурная схема которого представлена на рис. 1.12.

Рис 1.12. Структурная схема канала передачи данных: УПД - устройство подготовки данных; НКС - непрерывный канал связи; ДКС - дискретный канал связи; УПДс – устройство повышения достоверности