Информатика лекция 6
Компьютерная обработка информации Обработка информации — преобразование одних информационных объектов в другие путем выполнения некоторых алгоритмов. При решении задач обработки информации на компьютере строится модель того аспекта реального или воображаемого мира, к которому будет применяться алгоритм решения задачи. В такой модели информацию об объекте исследования представляют в формализованном виде: в виде структур данных ( «информационных объектов» ), представляющих собой некоторую абстракцию данного объекта. Абстракция (от лат. abstraction -отвлечение) подразумевает выделение наиболее существенных с точки зрения задачи обработки свойств и связей. Исполнитель алгоритма — абстрактная или реальная (техническая, биологическая или биотехническая) система, способная выполнить действия, предписываемые алгоритмом. 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: n цифровые вычислительные машины (ЦВМ), обрабатывающие информацию, представленную в цифровой форме; n аналоговые вычислительные машины (АВМ), обрабатывающие информацию, представленную в виде непрерывно меняющихся значений какой-либо физической величины (электрического напряжения, тока и т. д. ); n гибридные вычислительные машины (ГВМ), содержащие как аналоговые, так и цифровые вычислительные устройства.
История развития ЭВМ Простейшие: n Счётные палочки n Простейшие балансирные весы n Абак или Счёты n Чётки Счетные механизмы: n Антикитерский механизм ( 65 году до н. э) использовался для расчёта движения небесных тел, предсказания солнечных и лунных затмений, определения времени посева и сбора урожая n В 1623 году Вильгельм Шикард придумал «Считающие часы» — первый механический калькулятор, умевший выполнять четыре арифметических действия. n Машины Блеза Паскаля ( «Паскалина» , 1642 г. ) и Готфрида Вильгельма Лейбница. n Примерно в 1820 году Charles Xavier Thomas создал первый удачный, серийно выпускаемый механический калькулятор — Арифмометр Томаса, который мог складывать, вычитать, умножать и делить. В основном, он был основан на работе Лейбница. Механические калькуляторы, считающие десятичные числа, использовались до 1970 -х. Логарифмическая линейка: Джон Непер заметил, что умножение и деление чисел может быть выполнено сложением и вычитанием, соответственно, логарифмов этих чисел. Действительные числа могут быть представлены интервалами длины на линейке, и это легло в основу вычислений с помощью логарифмической линейки, что позволило выполнять умножение и деление намного быстрее. Логарифмические линейки использовались несколькими поколениями инженеров и других профессионалов, вплоть до появления карманных калькуляторов. Инженеры программы «Аполлон» отправили человека на Луну, выполнив на логарифмических линейках все вычисления, многие из которых требовали точности в 3— 4 знака.
История развития ЭВМ 1804: появление перфокарт В 1804 году Жозеф Мари Жаккар разработал ткацкий станок, в котором вышиваемый узор определялся перфокартами. В 1838 году Чарльз Бэббидж перешёл от разработки Разностной машины к проектированию более сложной аналитической машины, принципы программирования которой напрямую восходят к перфокартам Жаккара. В 1890 году Бюро Переписи США использовало перфокарты и механизмы сортировки (табуляторы), разработанные Германом Холлеритом, чтобы обработать поток данных десятилетней переписи, переданный под мандат в соответствии с Конституцией. Компания Холлерита в конечном счёте стала ядром IBM. 1835— 1900 -е: первые программируемые машины В 1835 году Чарльз Бэббидж описал свою аналитическую машину. Это был проект компьютера общего назначения, с применением перфокарт в качестве носителя входных данных и программы, а также парового двигателя в качестве источника энергии. Одной из ключевых идей было использование шестерней для выполнения математических функций. По стопам Бэббиджа, хотя и не зная о его более ранних работах, шёл Percy Ludgate, бухгалтер из Дублина (Ирландия). Он независимо спроектировал программируемый механический компьютер, который он описал в работе, изданной в 1909 году. 1930 -е — 1960 -е: настольные калькуляторы С 1930 -х такие компании как Friden, Marchant и Monro начали выпускать настольные механические калькуляторы, которые могли складывать, вычитать, умножать и делить. Словом «computer» (буквально — «вычислитель» ) называлась должность — это были люди, которые использовали калькуляторы для выполнения математических вычислений. В 1948 году появился Curta — небольшой механический калькулятор, который можно было держать в одной руке. В Советском Союзе в то время самым известным и распространённым калькулятором был механический арифмометр «Феликс» , выпускавшийся с 1929 по 1978 год на заводах в Курске (завод «Счетмаш» ), Пензе и Москве.
Первые электромеханические цифровые компьютеры Z-серия Конрада Цузе В 1936 году, работая в изоляции в нацистской Германии, Конрад Цузе начал работу над своим первым вычислителем серии Z, имеющим память и (пока ограниченную) возможность программирования. Z 3 стала первым работающим компьютером, управляемым программой. Во многих отношениях Z 3 была подобна современным машинам, в ней впервые был представлен ряд новшеств, таких как арифметика с плавающей запятой. Замена сложной в реализации десятичной системы на двоичную, сделала машины Цузе более простыми, а значит, более надёжными; считается, что это одна из причин того, что Цузе преуспел там, где Бэббидж потерпел неудачу. Британский «Колосс» Во время Второй мировой войны, Великобритания достигла определённых успехов во взломе зашифрованных немецких переговоров. Код немецкой шифровальной машины «Энигма» был подвергнут анализу с помощью электромеханических машин Немцы также разработали серию телеграфных шифровальных систем, несколько отличавшихся от «Энигмы» . Машина Lorenz SZ 40/42 использовалась для армейской связи высокого уровня. Первые перехваты передач с таких машин были зафиксированы в 1941 году. Для взлома этого кода, в обстановке секретности, была создана машина «Колосс» (Colossus). Спецификацию разработали профессор Макс Ньюман (Max Newman) и его коллеги; сборка Colossus Mk I выполнялась в исследовательской лаборатории Почтового департамента Лондона и заняла 11 месяцев, работу выполнили Томми Флауэрс (Tommy Flowers) и др. «Колосс» стал первым полностью электронным вычислительным устройством. В нём использовалось большое количество электровакуумных ламп, ввод информации выполнялся с перфоленты. «Колосс» можно было настроить на выполнение различных операций булевой логики, но он не являлся тьюринг-полной машиной. Помимо Colossus Mk I, было собрано ещё девять моделей Mk II. Информация о существовании этой машины держалась в секрете до 1970 -х гг. Уинстон Черчилль лично подписал приказ о разрушении машины на части, не превышающие размером человеческой руки. Из-за своей секретности, «Колосс» не упомянут во многих трудах по истории компьютеров.
Первые электромеханические цифровые компьютеры Американские разработки В 1937 году Клод Шеннон показал, что существует соответствие один-к-одному между концепциями булевой логики и некоторыми электронными схемами, которые получили название «логические вентили» , которые в настоящее время повсеместно используются в цифровых компьютерах. Работая в МТИ, в своей основной работе он продемонстрировал, что электронные связи и переключатели могут представлять выражение булевой алгебры. Так своей работой A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits он создал основу для практического проектирования цифровых схем. В ноябре 1937 года Джорж Стибиц завершил в Bell Labs создание компьютера «Model K» на основе релейных переключателей. В 1939 году Джон Винсент Атанасов (John Vincent Atanasoff) и Клиффорд Берри (Clifford E. Berry) из Университета штата Айова разработали Atanasoff-Berry Computer (ABC). Это был первый в мире электронный цифровой компьютер. Конструкция насчитывала более 300 электровакуумных ламп, в качестве памяти использовался вращающийся барабан. В 1939 году в Endicott laboratories в IBM началась работа над Harvard Mark I. Официально известный как Automatic Sequence Controlled Calculator, Mark I был электромеханическим компьютером общего назначения, созданного с финансированием IBM и при помощи со стороны персонала IBM, под руководством гарвардского математика Howard Aiken. Американский ENIAC, который часто называют первым электронным компьютером общего назначения, публично доказал применимость электроники для масштабных вычислений. Это стало ключевым моментом в разработке вычислительных машин, прежде всего из-за огромного прироста в скорости вычислений, но также и по причине появившихся возможностей для миниатюризации. Созданная под руководством Джона Мочли и Дж. Преспера Эккерта (J. Presper Eckert), эта машина была в 1000 раз быстрее, чем все другие машины того времени. Разработка «ЭНИАК» продлилась с 1943 до 1945 года. «ЭНИАК» , безусловно, удовлетворяет требованию полноты по Тьюрингу. Джон фон Нейман написал широко цитируемый отчёт, описывающий проект компьютера (EDVAC), в котором и программа, и данные хранятся в единой универсальной памяти. Принципы построения этой машины стали известны под названием «архитектура фон Неймана» и послужили основой для разработки первых по-настоящему гибких, универсальных цифровых компьютеров.
1 Поколение ЭВМ Первой работающей машиной с архитектурой фон Неймана стал манчестерский «Baby» — Small-Scale Experimental Machine (Малая экспериментальная машина), созданный в Манчестерском университете в 1948 году; в 1949 году за ним последовал компьютер Манчестерский Марк I, который уже был полной системой, с трубками Уильямса и магнитным барабаном в качестве памяти, а также с индексными регистрами. Другим претендентом на звание «первый цифровой компьютер с хранимой программой» стал EDSAC, разработанный и сконструированный в Кембриджском университете. Многие считают, что Манчестерский Марк I / EDSAC / EDVAC стали «Евами» , от которых ведут свою архитектуру почти все современные компьютеры. Первый универсальный программируемый компьютер в континентальной Европе был создан командой учёных под руководством Сергея Алексеевича Лебедева из Киевского института электротехники СССР, Украина. ЭВМ МЭСМ (Малая электронная счётная машина) заработала в 1950 году. Она содержала около 6000 электровакуумных ламп и потребляла 15 к. Вт. Машина могла выполнять около 3000 операций в секунду. Другой машиной того времени была австралийская CSIRAC, которая выполнила свою первую тестовую программу в 1949 году. В октябре 1947 года директора компании Lyons & Company, британской компании, владеющей сетью магазинов и ресторанов, решили принять активное участие в развитии коммерческой разработки компьютеров. Компьютер LEO I начал работать в 1951 году и впервые в мире стал регулярно использоваться для рутинной офисной работы. В июне 1951 года UNIVAC 1 был установлен в Бюро переписи населения США. Машина была разработана в компании Remington Rand, которая, в конечном итоге, продала 46 таких машин по цене более чем в 1 млн $ за каждую. UNIVAC был первым массово производимым компьютером; все его предшественники изготовлялись в единичном экземпляре. Компьютер состоял из 5200 электровакуумных ламп, и потреблял 125 к. Вт энергии. Первой советской серийной ЭВМ стала Стрела, производимая с 1953 на Московском заводе счётно-аналитических машин. «Стрела» относится к классу больших универсальных ЭВМ (Мейнфрейм) с трёхадресной системой команд. ЭВМ имела быстродействие 2000 -3000 операций в секунду. В качестве внешней памяти использовались два накопителя на магнитной ленте емкостью 200 000 слов, объём оперативной памяти — 2048 ячеек по 43 разряда. Компьютер состоял из 6200 ламп, 60 000 полупроводниковых диодов и потреблял 150 к. Вт энергии В 1954 году IBM выпускает машину IBM 650, ставшую довольно популярной — всего было выпущено более 2000 машин. Она весит около 900 кг, и ещё 1350 кг весит блок питания; оба модуля имеют размер примерно 1, 5 × 0, 9 × 1, 8 метров. Цена машины составляет 500000 долл. В 1956 году IBM впервые продаёт устройство для хранения информации на магнитных дисках — RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control). Оно использует 50 металлических дисков диаметром 24 дюйма, по 100 дорожек с каждой стороны. Устройство хранило до 5 МБ данных и стоило по 10 000 $ за МБ.
Поколения ЭВМ 1950 -е — начало 1960 -х: второе поколение Следующим крупным шагом в истории компьютерной техники стало изобретение транзистора в 1947 году. Они стали заменой хрупким и энергоёмким лампам. Компьютеры второго поколения обычно состояли из большого количества печатных плат, каждая из которых содержала от одного до четырёх логических вентилей или триггеров. В частности, IBM Standard Modular System определяла стандарт на такие платы и разъёмы подключения для них. В 1959 году на основе транзисторов IBM выпустила мейнфрейм IBM 7090 и машину среднего класса IBM 1401. Последняя использовала перфокарточный ввод и стала самым популярным компьютером общего назначения того времени: в период 1960— 1964 гг. было выпущено более 100 тыс. экземпляров этой машины В том же 1960 году DEC выпустила свою первую модель — PDP-1, предназначенную для использования техническим персоналом в лабораториях и для исследований. В 1961 году Burroughs Corporation выпустила B 5000, первый двухпроцессорный компьютер с виртуальной памятью. Другими уникальными особенностями были стековая архитектура, адресация на основе дескрипторов, и отсутствие программирования напрямую на языке ассемблера. «Сетунь» была первым компьютером на основе троичной логики, разработана в 1958 году в Советском Союзе. Первыми советскими серийными полупроводниковыми ЭВМ стали «Весна» и «Снег» , выпускаемые с 1964 по 1972 год. Пиковая производительность ЭВМ «Снег» составила 300 000 операций в секунду. Машины изготавливались на базе транзисторов с тактовой частотой 5 МГц. Всего было выпущено 39 ЭВМ. Наилучшей отечественной ЭВМ 2 -го поколения считается БЭСМ-6, созданная в 1966 году. Всего было выпущено 355 ЭВМ. 1960 -е : третье поколение Интегральные микросхемы содержат многие сотни миллионов транзисторов. Бурный рост использования компьютеров начался с т. н. « 3 -им поколением» вычислительных машин. Начало этому положило изобретение интегральных схем, которые независимо друг от друга изобрели лауреат Нобелевской премии Джек Килби и Роберт Нойс. Позже это привело к изобретению микропроцессора Тэдом Хоффом (компания Intel). 1970 -е 80 -е по наше время: 4 поколение Появление многопроцессорных и многомашинных комплексов на основе микропроцессорной техники, компьютерных сетей, систем распределенной обработки данных 5 поколение: компьютеры пятого поколения должны были стать следующим шагом, и для достижения сверхпроизводительности, осуществлять взаимодействие неограниченного набора микропроцессоров, моделирующих структуру нейронных биологических сетей…
Классификация компьютеров По типам: Консо льный компью тер (англ. frontend computer) — компьютер, выполняющий подготовительные действия, необходимые для запуска основной компьютерной системы. Такие функции могут выноситься на отдельную машину при создании «больших» компьютерных систем, например, суперкомпьютеров. С консольного компьютера, как правило, выполняется мониторинг состояния элементов и узлов главной компьютерной системы, на нём же хранится конфигурационная информация и служебные утилиты, применяемые для обслуживания и настройки основного компьютера. Миникомпью тер — термин, распространённый в 1960— 1980 -х гг. , относящийся к классу компьютеров, размеры которых варьировались от шкафа до небольшой комнаты. С конца 1980 -х годов полностью вытеснены персональными компьютерами, называвшимися «микрокомпьютеры» в рамках старой классификации. Примеры: Электроника 60 (СССР), PDP-11 (США) Мейнфре йм (также мэйнфрейм, от англ. mainframe) — данный термин имеет три основных значения. Большая универсальная ЭВМ — высокопроизводительный компьютер со значительным объёмом оперативной и внешней памяти, предназначенный для организации централизованных хранилищ данных большой ёмкости и выполнения интенсивных вычислительных работ. Компьютер c архитектурой IBM System/360, 370, 390, z. Series. Наиболее мощный компьютер (например удовлетворяющий признакам значения (1)), используемый в качестве главного или центрального компьютера (например, в качестве главного сервера). Персональный компьютер (стандартная аббревиатура — «ПК» ) — компьютер, предназначенный для эксплуатации одним пользователем, то есть для личного использования. К ПК условно можно отнести также и любой другой компьютер, используемый конкретным человеком в качестве своего личного компьютера. Подавляющее большинство людей используют в качестве ПК настольные и различные переносные компьютеры.
Классификация компьютеров Рабо чая ста нция (англ. workstation) — комплекс аппаратных и программных средств, предназначенных для решения определённого круга задач. Рабочая станция как место работы специалиста представляет собой полноценный компьютер или компьютерный терминал (устройства ввода-вывода, отделённые и часто удалённые от управляющего компьютера), набор необходимого ПО, по необходимости дополняемые вспомогательным оборудованием: печатающее устройство, внешнее устройство хранения данных на магнитных и/или оптических носителях, сканер штрих-кода и пр. Се рвер (англ. server от to serve — служить) — аппаратное обеспечение, выделенное и/или специализированное для выполнения на нем сервисного программного обеспечения (в том числе серверов тех или иных задач). Суперкомпью тер (англ. supercomputer, Супер. ЭВМ) — вычислительная машина, значительно превосходящая по своим техническим параметрам большинство существующих компьютеров. Как правило, современные суперкомпьютеры представляют собой большое число высокопроизводительных серверных компьютеров, соединённых друг с другом локальной высокоскоростной магистралью для достижения максимальной производительности в рамках подхода распараллеливания вычислительной задачи.
Классификация компьютеров По системам счисления n двоичные n троичные n четверичные n десятичные Элементные основы n n n релейные ламповые ферритдиодные транзисторные дискретные транзисторные интегральные Первая троичная ЭВМ «Сетунь» на ферритдиодных ячейках была построена Брусенцовым в МГУ. Физическая реализация n n n n Квантовый компьютер Механический компьютер Пневматический компьютер Гидравлический компьютер Оптический компьютер Электронный компьютер Биологический компьютер
Архитектура компьютеров Архитектура фон Неймана Гарвардская архитектура — архитектура ЭВМ, отличительным признаком которой является раздельное хранение и обработка команд и данных. Архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930 х годов в Гарвардском университете. Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата. Идея, реализованная Эйкеном, заключалась в физическом разделении линий передачи команд и данных. В первом компьютере Эйкена «Марк I» для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие.
Процессор Центра льный проце ссор (ЦП, или центральное процессорное устройство — ЦПУ; англ. central processing unit, сокращенно — CPU, дословно — центральное обрабатывающее устройство) — электронный блок либо микросхема — исполнитель машинных инструкций (кода программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором. Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки данных, изобретённого Джоном фон Нейманом. Этапы цикла выполнения: 1. Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса и отдаёт памяти команду чтения. 2. Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных и сообщает о готовности. 3. Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её. 4. Если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды. Конвейерная архитектура (pipelining) была введена в центральный процессор с целью повышения быстродействия. Обычно для выполнения каждой команды требуется осуществить некоторое количество однотипных операций, например: выборка команды из ОЗУ, дешифровка команды, адресация операнда в ОЗУ, выборка операнда из ОЗУ, выполнение команды, запись результата в ОЗУ. Каждую из этих операций сопоставляют одной ступени конвейера. Например, конвейер микропроцессора с архитектурой MIPS-I содержит четыре стадии: 1. 2. 3. 4. получение и декодирование инструкции, адресация и выборка операнда из ОЗУ, выполнение арифметических операций, сохранение результата операции.
Процессор Суперскалярная архитектура Способность выполнения нескольких машинных инструкций за один такт процессора путем увеличения числа исполнительных устройств. Появление этой технологии привело к существенному увеличению производительности, в то же время существует определенный предел роста числа исполнительных устройств, при превышении которого производительность практически перестает расти, а исполнительные устройства простаивают. Частичным решением этой проблемы являются, например, технология Hyper Threading. CISC-процессоры Complex instruction set computer — вычисления со сложным набором команд. Процессорная архитектура, основанная на усложнённом наборе команд. Типичными представителями CISC являются микропроцессоры семейства x 86 (хотя уже много лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд: в начале процесса исполнения сложные команды разбиваются на более простые микрооперации (МОП’ы), исполняемые RISC-ядром). RISC-процессоры Reduced instruction set computer — вычисления с упрощённым набором команд (в литературе слово «reduced» нередко ошибочно переводят как «сокращённый» ). Архитектура процессоров, построенная на основе упрощённого набора команд, характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации. Концепция RISC разработана Джоном Коком (John Cocke) из IBM Research, название придумано Дэвидом Паттерсоном (David Patterson). Упрощение набора команд призвано сократить конвейер, что позволяет избежать задержек на операциях условных и безусловных переходов. Однородный набор регистров упрощает работу компилятора при оптимизации исполняемого программного кода. Кроме того, RISC-процессоры отличаются меньшим энергопотреблением и тепловыделением. Среди первых реализаций этой архитектуры были процессоры MIPS, Power. PC, SPARC, Alpha, PA-RISC. В мобильных устройствах широко используются ARM-процессоры. MISC-процессоры Minimum instruction set computer — вычисления с минимальным набором команд. Дальнейшее развитие идей команды Чака Мура, который полагает, что принцип простоты, изначальный для RISC-процессоров, слишком быстро отошёл на задний план. В пылу борьбы за максимальное быстродействие, RISC догнал и перегнал многие CISC процессоры по сложности. Архитектура MISC строится на стековой вычислительной модели с ограниченным числом команд (примерно 20 -30 команд). VLIW-процессоры Very long instruction word — сверхдлинное командное слово. Архитектура процессоров с явно выраженным параллелизмом вычислений, заложенным в систему команд процессора. Являются основой для архитектуры EPIC. Ключевым отличием от суперскалярных CISC-процессоров является то, что для них загрузкой исполнительных устройств занимается часть процессора (планировщик), на что отводится достаточно малое время, в то время как загрузкой вычислительных устройств для VLIW-процессора занимается компилятор, на что отводится существенно больше времени (качество загрузки и, соответственно, производительность теоретически должны быть выше). Примером VLIW-процессора является Intel Itanium.
Процессор Многоядерные процессоры Содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе (на одном или нескольких кристаллах). Процессоры, предназначенные для работы одной копии операционной системы на нескольких ядрах, представляют собой высокоинтегрированную реализацию мультипроцессорности. Первым многоядерным микропроцессором стал POWER 4 от IBM, появившийся в 2001 и имевший два ядра. В октябре 2004 Sun Microsystems выпустила двухъядерный процессор Ultra. SPARC IV, который состоял из двух ядер. Кэширование — это использование дополнительной быстродействующей памяти (кэша, англ. cache) для хранения копий блоков информации из основной (оперативной) памяти, вероятность обращения к которым в ближайшее время велика. Параллельная архитектура Архитектура фон Неймана обладает тем недостатком, что она последовательная. Какой бы огромный массив данных ни требовалось обработать, каждый его байт должен будет пройти через центральный процессор, даже если над всеми байтами требуется провести одну и ту же операцию. Этот эффект называется узким горлышком фон Неймана. Для преодоления этого недостатка предлагались и предлагаются архитектуры процессоров, которые называются параллельными. Параллельные процессоры используются в суперкомпьютерах. Возможными вариантами параллельной архитектуры могут служить (по классификации Флинна): SISD — один поток команд, один поток данных; SIMD — один поток команд, много потоков данных; MISD — много потоков команд, один поток данных; MIMD — много потоков команд, много потоков данных. Цифровые сигнальные процессоры Цифровой сигнальный процессор (англ. Digital signal processor, DSP; сигнальный микропроцессор, СМП; процессор цифровых сигналов, ПЦС) — специализированный микропроцессор, предназначенный для цифровой обработки сигналов (обычно в реальном масштабе времени). Архитектура сигнальных процессоров, по сравнению с микропроцессорами настольных компьютеров, имеет некоторые особенности: Гарвардская архитектура (разделение памяти команд и данных), как правило модифицированная;
Процессор Цифровые сигнальные процессоры Цифровой сигнальный процессор (англ. Digital signal processor, DSP; сигнальный микропроцессор, СМП; процессор цифровых сигналов, ПЦС) — специализированный микропроцессор, предназначенный для цифровой обработки сигналов (обычно в реальном масштабе времени). Архитектура сигнальных процессоров, по сравнению с микропроцессорами настольных компьютеров, имеет некоторые особенности: n n n n n Гарвардская архитектура (разделение памяти команд и данных), как правило модифицированная; Большинство сигнальных процессоров имеют встроенную оперативную память, из которой может осуществляться выборка нескольких машинных слов одновременно. Нередко встроено сразу несколько видов оперативной памяти, например, в силу Гарвардской архитектуры бывает отдельная память для инструкций и отдельная — для данных. Некоторые сигнальные процессоры обладают одним или даже несколькими встроенными постоянными запоминающими устройствами с наиболее употребительными подпрограммами, таблицами и т. п. Аппаратное ускорение сложных вычислительных инструкций, то есть быстрое выполнение операций, характерных для цифровой обработки сигналов, например, операция «умножение с накоплением» (MAC) (Y : = X + A × B) обычно исполняется за один такт. «Бесплатные» по времени циклы с заранее известной длиной. Поддержка векторно-конвейерной обработки с помощью генераторов адресных последовательностей. Детерминированная работа с известными временами выполнения команд, что позволяет выполнять планирование работы в реальном времени. Сравнительно небольшая длина конвейера, так что незапланированные условные переходы могут занимать меньшее время, чем в универсальных процессорах. Экзотический набор регистров и инструкций, часто сложных для компиляторов. Некоторые архитектуры используют VLIW. По сравнению с микроконтроллерами, ограниченный набор периферийных устройств — впрочем, существуют «переходные» чипы, сочетающие в себе свойства DSP и широкую периферию микроконтроллеров.
Информатика лекция 7
Компьютерная модель Моде ль (фр. modèle, от лат. modulus — «мера, аналог, образец» ) — некоторый материальный или мысленно представляемый объект или явление, являющийся упрощённой версией моделируемого объекта или явления (прототипа) и в достаточной степени повторяющий свойства, существенные для целей конкретного моделирования (опуская несущественные свойства, в которых он может отличаться от прототипа). Прототи п (от др. -греч. πρῶτος — первый и τύπος — отпечаток, оттиск) — прообраз, образец, оригинал. Модели обычно применяются для нужд познания (созерцания, анализа и синтеза) и конструирования. В качестве модели может выступать отображение, схема, копия, макет, изображение. Моделью может быть серийный повторяемый проект, имеющий набор определённых, свойственных только данной модели параметров и характеристик. Это делается даже в одном ряду изделий (проектов). Модель решений может иметь несколько версий или вариантов, что является моделированием деятельности, проектирования, управления большими проектами и т. п. Процесс создания модели называется моделированием. Любая мыслительная деятельность представляет собой оперирование моделями (образами). Модели бывают натурные, макеты, информационные, логические, образные, и т. п. Компьютерная модель является представлением объекта, системы или понятия в форме, отличной от реальной, но приближенной к алгоритмическому описанию, включающей и набор данных, характеризующих свойства системы и динамику их изменения со временем.
Классификация моделей Пространственные Материальные (предметные) Физические Аналоговые Модели Логические Знаковые Графические Интуитивные Математические Идеальные (абстрактные)
Математические модели Математические Модели Способ построения аналитические имитационные Математический метод - Модели теории отношений - Сетевые модели - Автоматные модели - Модели цепей Маркова - Модели массового обслуживания дифференциальны е модели - Модели математического программирования Поведение во времени Функции модели Виды процессов Наличие неопределенности динамические дескриптивные непрерывные детерминированны е статические прескриптивные дискретные недетерминированн ые
Математическая модель Определение модели по А. А. Ляпунову: Моделирование — это опосредованное практическое или теоретическое исследование объекта, при котором непосредственно изучается не сам интересующий нас объект, а некоторая вспомогательная искусственная или естественная система (модель): 1. находящаяся в некотором объективном соответствии с познаваемым объектом; 2. способная замещать его в определенных отношениях; 3. дающая при её исследовании, в конечном счете, информацию о самом моделируемом объекте. Математическая модель — это „эквивалент“ объекта, отражающий в математической форме важнейшие его свойства — законы, которым он подчиняется, связи, присущие составляющим его частям, и т. д. Существует в триадах «модель-алгоритм-программа» . Создав триаду „модель-алгоритм-программа“, исследователь получает в руки универсальный, гибкий и недорогой инструмент, который вначале отлаживается, тестируется в пробных вычислительных экспериментах. После того, как адекватность (достаточное соответствие) триады исходному объекту установлена, с моделью проводятся разнообразные и подробные „опыты“, дающие все требуемые качественные и количественные свойства и характеристики объекта.
Математическая модель Формальная классификация моделей основывается на классификации используемых математических средств. Часто строится в форме дихотомий. Например, один из популярных наборов дихотомий: n Линейные или нелинейные модели; n Сосредоточенные или распределённые системы; n Детерминированные или стохастические; n Статические или динамические; n Дискретные или непрерывные.
Математическая модель Содержательная классификация моделей: Тип 1: Гипотеза (такое могло бы быть)Эти модели «представляют собой пробное описание явления, причем автор либо верит в его возможность, либо считает даже его истинным» . Тип 2: Феноменологическая модель (ведем себя так, как если бы…)Феноменологическая модель содержит механизм для описания явления. Тип 3: Приближение (что-то считаем очень большим или очень малым)Если можно построить уравнения, описывающие исследуемую систему, то это не значит, что их можно решить даже с помощью компьютера. Тип 4: Упрощение (опустим для ясности некоторые детали)В модели типа 4 отбрасываются детали, которые могут заметно и не всегда контролируемо повлиять на результат. Тип 5: Эвристическая модель (количественного подтверждения нет, но модель способствует более глубокому проникновению в суть дела)Эвристическая модель сохраняет лишь качественное подобие реальности и даёт предсказания только «по порядку величины» . Тип 6: Аналогия (учтём только некоторые особенности) Тип 7: Мысленный эксперимент (главное состоит в опровержении возможности) Тип 8: Демонстрация возможности (главное — показать внутреннюю непротиворечивость возможности) Для поддержки математического моделирования разработаны системы компьютерной математики, например, Maple, Mathematica, Mathcad, MATLAB, Vis. Sim и др. [24] Они позволяют создавать формальные и блочные модели как простых, так и сложных процессов и устройств и легко менять параметры моделей в ходе моделирования. Блочные модели представлены блоками (чаще всего графическими), набор и соединение которых задаются диаграммой модели.
Имитационная модель Имитационное моделирование — метод, позволяющий строить модели, описывающие процессы так, как они проходили бы в действительности. Такую модель можно «проиграть» во времени как для одного испытания, так и заданного их множества. При этом результаты будут определяться случайным характером процессов. По этим данным можно получить достаточно устойчивую статистику. Имитационное моделирование — это метод исследования, при котором изучаемая система заменяется моделью, с достаточной точностью описывающей реальную систему и с ней проводятся эксперименты с целью получения информации об этой системе. Экспериментирование с моделью называют имитацией (имитация — это постижение сути явления, не прибегая к экспериментам на реальном объекте). Имитационное моделирование — это частный случай математического моделирования. Существует класс объектов, для которых по различным причинам не разработаны аналитические модели, либо не разработаны методы решения полученной модели. В этом случае аналитическая модель заменяется имитатором или имитационной моделью. Имитационным моделированием иногда называют получение частных численных решений сформулированной задачи на основе аналитических решений или с помощью численных методов. Имитационная модель — логико-математическое описание объекта, которое может быть использовано для экспериментирования на компьютере в целях проектирования, анализа и оценки функционирования объекта.
Программное обеспечение Програ ммное обеспе чение (допустимо также произношение обеспече ние), ПО — совокупность программ системы обработки информации и программных документов, необходимых для эксплуатации этих программ (ГОСТ 19781 -90). Также — совокупность программ, процедур и правил, а также документации, относящихся к функционированию системы обработки данных (СТ ИСО 2382/184). Программное обеспечение является одним из видов обеспечения вычислительной системы, наряду с техническим (аппаратным), математическим, информационным, лингвистическим, организационным и методическим обеспечением. В компьютерном сленге часто используется слово софт от английского слова software, которое в этом смысле впервые применил в статье в American Mathematical Monthly математик из Принстонского университета Джон Тьюки (англ. John W. Tukey) в 1958 году.
Классификация ПО Программное обеспечение принято по назначению подразделять на системное, прикладное и инструментальное, а по способу распространения и использования на несвободное/закрытое, открытое и свободное. Свободное программное обеспечение может распространяться, устанавливаться и использоваться на любых компьютерах дома, в офисах, школах, вузах, а также коммерческих и государственных учреждениях без ограничений. Программное обеспечение является одним из видов обеспечения вычислительной системы, наряду с техническим (аппаратным), математическим, информационным, лингвистическим, организационным и методическим обеспечением. В компьютерном сленге часто используется слово софт от английского слова software, которое в этом смысле впервые применил в статье в American Mathematical Monthly математик из Принстонского университета Джон Тьюки (англ. John W. Tukey) в 1958 году.
Классификация ПО Системное ПО 1. BIOS 2. Операционная система n Общего назначения n Реального времени n Сетевая n Встраиваемая 3. Загрузчик операционной системы 4. Драйвер устройства Прикладное ПО 1. Офисные приложения • Текстовый редактор • Текстовый процессор • Табличный процессор • Редактор презентаций
Классификация ПО 2. Корпоративная информационная система n Аудиторская программа n Бухгалтерская программа n Система MRP (англ. Material Requirement Planning — планирование потребности в материалах) n Систама ERP-система (англ. Enterprise Resource Planning System — Система планирования ресурсов предприятия) n Система управления взаимоотношениями с клиентами (CRM, CRMсистема, сокращение от англ. Customer Relationship Management) n Система POS-терминал (от англ. Point Of Sale — точка продажи) n Система управления версиями (VCS) n Система управления проектами (Project Management) n Система автоматизации документооборота (EDM) n Финансово-аналитическая система n Система управления архивами документов (DWM) n Корпоративный портал
Классификация ПО 2. Корпоративная информационная система n Аудиторская программа n Бухгалтерская программа n Система MRP (англ. Material Requirement Planning — планирование потребности в материалах) n Систама ERP-система (англ. Enterprise Resource Planning System — Система планирования ресурсов предприятия) n Система управления взаимоотношениями с клиентами (CRM, CRMсистема, сокращение от англ. Customer Relationship Management) n Система POS-терминал (от англ. Point Of Sale — точка продажи) n Система управления версиями (VCS) n Система управления проектами (Project Management) n Система автоматизации документооборота (EDM) n Финансово-аналитическая система n Система управления архивами документов (DWM) n Корпоративный портал
Классификация ПО 3. Система проектирования и производства n Система автоматизации проектных работ (САПР, CAD) n CAE-система (англ. Computer-aided engineering) — общее название для программ и программных пакетов, предназначенных для решения различных инженерных задач n CAM-система (англ. Computer-aided manufacturing) — подготовка технологического процесса производства изделий, ориентированная на использование ЭВМ. n PDM-система (англ. Product Data Management — система управления данными об изделии) — организационно-техническая система, обеспечивающая управление всей информацией об изделии. n PLM-система (Product Lifecycle Management (PLM) (жизненный цикл изделия)) — технология управления жизненным циклом изделий. n АСУТП -SCADA -(аббр. от англ. Supervisory Control And Data Acquisition, Диспетчерское управление и сбор данных)) Автоматизированная система управления технологическим процессом (сокр. АСУТП) — комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации управления технологическим оборудованием на промышленных предприятиях.
Классификация ПО 4. Система логистической поддержки изделий Система анализа логистической поддержки (LSA) 5. Система обработки и хранения медицинской информации n Система передачи, обработки, хранения и архивации изображений n Радиологическая информационная сеть (РИС) n Госпитальная информационная сеть (ГИС) 6. Научное ПО n Система математического и статистического расчёта и анализа n Система компьютерного моделирования 7. Информационные системы n Геоинформационная система (ГИС) n Система поддержки принятия решений (СППР) n Система управления IT-инфраструктурой n Справочно-правовая система (СПС)
Классификация ПО 8. Клиент для доступа к интернет-сервисам n Электронная почта n Веб-браузер n Система мгновенного обмена сообщениями n IRC n IP-телефония n Пиринговая сеть n Потоковое мультимедиа n Банк-клиент 9. Мультимедиа n Компьютерная игра n Музыкальный редактор n Графические программы n Видеоредактор n Аудиоредактор n Медиаплеер
Классификация ПО 10. Программные средства защиты n Криптошлюз n Средство аутентификации n Средство мониторинга и аудита n Сканер защищённости n Средство разграничения доступа n Система криптографической защиты, шифрования и ЭЦП n Антивирусная программа n Антиспамовая программа n Межсетевой экран
Классификация ПО Инструментальное ПО 1. Средство разработки программного обеспечения n Среда разработки n RAD n SDK 2. Система управления базами данных (СУБД) n Реляционная (DB 2, Informix, Interbase, Firebird, Microsoft SQL Server, My. SQL, Oracle, Postgre. SQL, ЛИНТЕР и т. д. ) n Объектно-ориентированная (Versant Object Database, Object. Store и т. д. ) n Иерархическая (IMS и т. д. ) n Сетевая (IDS и т. д. )
Операционные Системы Операцио нная систе ма, сокр. ОС (англ. operating system, OS) — комплекс управляющих и обрабатывающих программ, которые, с одной стороны, выступают как интерфейс между устройствами вычислительной системы и прикладными программами, а с другой стороны — предназначены для управления устройствами, управления вычислительными процессами, эффективного распределения вычислительных ресурсов между вычислительными процессами и организации надёжных вычислений. Это определение применимо к большинству современных ОС общего назначения. Основные функции: n Выполнение по запросу программ (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др. ). n Загрузка программ в оперативную память и их выполнение. n Стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода). n Управление оперативной памятью (распределение между процессами, организация виртуальной памяти). n Управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жёсткий диск, оптические диски и др. ), организованным в той или иной файловой системе. n Обеспечение пользовательского интерфейса. n Сохранение информации об ошибках системы.
Операционные Системы Дополнительные функции: n n n n Параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность). Эффективное распределение ресурсов вычислительной системы между процессами. Разграничение доступа различных процессов к ресурсам. Организация надёжных вычислений (невозможности одного вычислительного процесса намеренно или по ошибке повлиять на вычисления в другом процессе), основана на разграничении доступа к ресурсам. Взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация. Защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от действий пользователей (злонамеренных или по незнанию) или приложений. Многопользовательский режим работы и разграничение прав доступа (см. аутентификация, авторизация). Компоненты операционной системы n Загрузчик n Ядро n Командный процессор (интерпретатор)[1] n Драйверы устройств n Интерфейс
Операционные Системы Apple Mac OS n DEC/Compaq/HPAIS n IBMIBSYS OS/2 n Microsoft MS-DOS Microsoft Windows n Novell. Net. Ware — сетевая ОС n Solaris — Unix-подобная ОС, основана на реализации UNIX System V Release 4 + наработки из Sun. OS n Unix-подобные. BSD (Berkeley Software Distribution, реализация Unix для DEC VAX) и её вариации: Free. BSD Net. BSD Open. BSD — основной акцент на безопасности Linux (наиболее популярное свободное Unix-подобное ядро) Open. Solaris (проект по открытию кодов Solaris) Polaris n
Особенности Unix-подобных систем Первая система UNIX была разработана в 1969 году в подразделении Bell Labs компании AT&T. С тех пор было создано большое количество различных UNIX-систем. Юридически лишь некоторые из них имеют полное право называться «UNIX» ; остальные же, хотя и используют сходные концепции и технологии, объединяются термином «UNIX-подобные» (англ. Unix-like). Некоторые отличительные признаки UNIX-систем включают в себя: n использование простых текстовых файлов для настройки и управления системой; n широкое применение утилит, запускаемых в командной строке; n взаимодействие с пользователем посредством виртуального устройства — терминала; n представление физических и виртуальных устройств и некоторых средств межпроцессового взаимодействия как файлов; n использование конвейеров из нескольких программ, каждая из которых выполняет одну задачу. В настоящее время UNIX используются в основном на серверах, а также как встроенные системы для различного оборудования. На рынке ОС для рабочих станций и домашнего применения лидером является Microsoft Windows, UNIX занимает второе (Mac OS X), третье (GNU/Linux).
Скачать презентацию Информатика лекция 6 Компьютерная обработка информации Обработка
Информатика_67.ppt