3. Иерархическая структура. Фреймовая система построена на основе иерархической структуры, в которой значения атрибутов фреймов верхнего уровня совместно используются всеми дочерними фреймами нижних уровней. Такая структура позволяет решать следующие задачи:

- удобно систематизировать и записывать схожие объекты;

- добавлять новые объекты в соответствующие позиции иерархии;

- упростить просмотр знаний и обнаружение противоречий в знаниях;

- сделать фреймовую систему более гибкой.

Пример 7.39. Для иллюстрации работы фреймов рассмотрим иерархию делового отчета со слотами, их значениями и связанными с ними процедурами (Рис. 7 .16).

Рис. 7.16. Иерархия делового отчета

Пусть системе задан запрос: «Необходимо создать квартальный финансовый отчет о выполнении проекта по новой технологии». Рассмотрим ее действия по шагам.

1. На основе родительского фрейма «Финансовый отчет» создается новый фрейм «Финансовый отчет №3». Далее все действия совершаются с этим вновь созданным фреймом. В слот «ТЕМА» записывается значение «Проект по новой технологии».

2. Запускается процедура «ЕСЛИ – ДОБАВЛЕНО», связанная со слотом «ТЕМА», так как в слот «ТЕМА» было записано новое значение. Пусть процедура нашла руководителя этого проекта по фамилии Иванов. Процедура вписывает его фамилию в слот «АВТОР» финансового отчета №3. Если руководитель этого проекта не будет найден, значение слота «АВТОР» будет наследовано от родительского фрейма «Финансовый отчет», а именно в слот будет помещен текст «РУКОВОДИТЕЛЬ ПРОЕКТА».

3. Запускается процедура «ЕСЛИ – ДОБАВЛЕНО», связанная с фреймом, так как в один из слотов было вписано новое значение. Данная процедура составляет сообщение, чтобы отправить его Иванову, но обнаруживает отсутствие даты исполнения. Процедура «ЕСЛИ – ДОБАВЛЕНО» передает управление процедуре «ЕСЛИ – НУЖНО», связанной со слотом «ДАТА»

4. Запускается процедура «ЕСЛИ – НУЖНО», связанная со слотом «ДАТА». Процедура, анализируя текущую дату (например, 12 марта этого года), определяет, что ближайшей к ней является дата «30 марта» и вписывает ее в слот «ДАТА».

5. Процедура «ЕСЛИ – ДОБАВЛЕНО», связанная с фреймом, обнаруживает, что отсутствует значение объема отчета. В слоте «ОБЪЕМ» нет данных, и он не связан с процедурами. В этом случае значение наследуется из одноименного слота родительского узла.

6. Когда все необходимые значения слотов определены, процедура составляет следующее сообщение: «Господин Иванов, пожалуйста, подготовьте квартальный финансовый отчет по проекту новой технологии к 30 марта объемом 2 страницы».

Если в какой-то момент узел «Финансовый отчет №3» будет удален, то система автоматически отправит АВТОРУ сообщение, что отчет не требуется. □

В общем случае фрейм представляет собой таблицу, структура и принципы организации которой являются развитием понятия отношения в реляционной модели данных. Обобщенная структура фрейма имеет вид таблицы (табл. 7 .12).

Таблица 7.12. Структура фрейма

Слот включает следующие параметры.

Имя слота. Каждый слот должен иметь уникальное имя во фрейме, к которому он принадлежит. Имя слота в некоторых случаях может быть служебным. Среди служебных имен могут быть следующие: имя пользователя, определяющего фрейм; дата определения или модификации фрейма; комментарий.

Указатель наследования. Определяет, какую информацию об атрибутах слотов во фрейме верхнего уровня наследуют слоты с теми же именами во фрейме нижнего уровня. Типы указателей наследования:

- S (same, тот же) – слот наследуется с теми же значениями данных;

- U (unical, уникальный) – слот наследуется, но данные в каждом фрейме могут принимать любое значение;

- I (independent, независимый) – слот не наследуется.

Указатель типа данных. Типом данных, включаемым в слот, могут быть:

- FRAME (указатель) – указывает имя фрейма верхнего уровня;

- ATOM (переменная);

- TEXT (текстовая информация);

- LIST (список);

- LISP (присоединенная процедура).

С помощью механизма управления наследованием по отношениям IS-A осуществляется автоматический поиск и определение значений слотов фрейма верхнего уровня и связанных процедур.

Фреймы, как и семантические сети, можно записать с помощью предикатов. Например, предикат

значение (фрейм, слот, значение)

определяет значение слота фрейма, а предикат

функция (фрейм, слот, событие, f(x))

определяет функцию, связанную со слотом; здесь событие принимает одно из значений ЕСЛИ – ДОБАВЛЕНО, ЕСЛИ – УДАЛЕНО или ЕСЛИ – НУЖНО.

Фреймовая модель представления знаний эффективна для иерархического описания сложных понятий и решения задач, в которых в зависимости от ситуации необходимо применять различные способы вывода. В то же время во фреймовой модели затруднено управление завершенностью и постоянством целостного образа. По этой причине существует опасность нарушения связи со связанными процедурами и проблемы зацикливания процесса вывода.

Глава 8.АРХИТЕКТУРА ЭВМ

8.1.Поколения ЭВМ

Разделение ЭВМ на поколения условно, так как поколения сменялись постепенно, поэтому временные границы между поколениями размыты. Поколения ЭВМ разделяют в зависимости от физических элементов или технологии их изготовления, используемые при построении ЭВМ (табл.  8 .13). При сравнении быстродействия ЭВМ под операцией понимают операцию над числами с плавающей точкой.

Таблица 8.13. Поколения ЭВМ

Первое поколение ЭВМ (1951-1954) строилось на электронных лампах, которые могли быстро переключаться из одного состояния в другое. Лампы имели большие размеры, поэтому ЭВМ первого поколения, состоящие из десятков тысяч ламп, занимали целые этажи и были энергоемки. Программы записывались в ЭВМ с помощью установки перемычек на особом машинном коде.

Второе поколение ЭВМ (1958-1960) строилось на транзисторах – полупроводниковых приборах, которые могли находиться в одном из двух состояний. По сравнению с лампами транзисторы имели малые размеры и потребляемую мощность. Увеличение производительности обеспечивалось за счет более высокой скорости переключения и использованием обрабатывающих устройств, работающих параллельно. Площадь, требующаяся для размещения ЭВМ, уменьшилась до нескольких квадратных метров. Программы записывались на перфокарты – картонные карточки, на которых были выбиты или не выбиты дырочки, кодирующие 0 и 1. Программирование осуществлялось на языке Ассемблер, команды которого затем переводились в машинный код.

Третье поколение ЭВМ (1965-1968) строилось на интегральных схемах (ИС). ИС представляет собой электрическую цепь определенного функционального назначения, которая размещается на кремниевой основе. ИС содержит сотни и тысячи транзисторных элементов, что позволило уменьшить размеры, потребляемую мощность, стоимость и увеличить надежность системы. Помимо Ассемблера, программирование осуществлялось на языках высокого уровня (ЯВУ), имевших большое количество операторов. Каждый оператор объединял несколько команд языка Ассемблер.

Четвертое поколение ЭВМ (1976-по сегодняшний день) строилось на больших интегральных схемах (БИС). БИС содержат не набор нескольких логических элементов, из которых строились затем функциональные узлы компьютера, а целиком функциональные узлы. Примером БИС является микропроцессор. БИС способствовали появлению персональных компьютеров. Увеличение количества транзисторов до миллионов привело к появлению сверхбольших ИС (СБИС).

Пятое поколение ЭВМ существует в теории. Основное требование к ЭВМ – машина должна сама по поставленной цели составить план действий и выполнить его. Такой способ решения задачи называется логическим программированием. Элементная база процессора – СБИС с использованием опто- и криоэлектроники. Оптоэлектроника – раздел электроники, связанный с эффектами взаимодействия оптического излучения с электронами в веществах (главным образом в твердых телах) и использованием этих эффектов для генерации, передачи, хранения, обработки и отображения информации. Криоэлектроника (криогенная электроника) – область науки и техники, занимающаяся применением явлений, имеющих место в твердых телах при температуре ниже 120 К (криогенных температурах) в присутствии электрических, магнитных или электромагнитных полей (явление сверхпроводимости), для создания электронных приборов и устройств.

8.2.Структура ЭВМ

Вычислительной называется техническая система способная выполнять действия посредством арифметических и логических операций.

ЭВМ (персональный компьютер (ПК)) – это универсальная вычислительная диалоговая система, реализованная на базе микропроцессорных средств, компактных внешних запоминающих устройств, способная выполнять последовательность операций над информацией определенной программы. В основе функционирования любой ЭВМ лежит архитектура.

Архитектура – это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов. В основе архитектуры современных ЭВМ лежат принципы, предложенные американским ученым и теоретиком вычислительной техники Джоном фон Нейманом.

Обобщенная схема ЭВМ представлена на Рис. 8 .17.

Рис. 8.17. Структура ЭВМ

ЭВМ состоит из системного блока, к которому подключаются монитор и клавиатура. В системном блоке находятся основные компоненты ЭВМ:

ВЗУ – внешние запоминающие устройства (жесткий диск, приводы CD/DVD/Blu-Ray, флэш-память); некоторые ВЗУ располагаются внутри системного блока и подключаются к контроллерам ВЗУ, а некоторые – снаружи системного блока и подключаются к портам ввода-вывода.

ВК – видеокарта (видеоадаптер, видеоконтроллер) формирует изображение и передает его на монитор;

ИП – источник питания обеспечивает питание всех блоков ЭВМ по системной шине;

КВЗУ – контроллеры внешних запоминающих устройств управляют обменом информацией с ВЗУ;

КК – контроллер клавиатуры содержит буфер, в который помещаются вводимые символы, и обеспечивает передачу этих символов другим компонентам;

КПВВ – контроллеры портов ввода-вывода управляют обменом информацией с периферийными устройствами;

МП – микропроцессор выполняет команды программы, управляет взаимодействием всех компонент ЭВМ;

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство хранит исходные данные и результаты обработки информации во время функционирования ЭВМ;

ПЗУ – постоянное запоминающее устройство хранит программы, выполняемые во время загрузки ЭВМ;