Информатика_ Конспекты лекций

3.Паре задача-объект тоже соответствует множество моделей, содержащих в принципе одну и ту же информацию, но различающихся формами ее представления или воспроизведения.

4.Модель по определению всегда является лишь относительным, приближенным подобием объекта-оригинала и в информационном отношении принципиально беднее последнего. Это ее фундаментальное свойство.

5.Произвольная природа объекта-оригинала, фигурирующая в принятом определении, означает, что этот объект может быть материальновещественным, может носить чисто информационный характер и, наконец, может представлять собой комплекс разнородных материальных и информационных компонентов. Однако независимо от природы объекта, характера решаемой задачи и способа реализации модель представляет собой информационное образование.

6.Частным, но весьма важным для развитых в теоретическом отношении научных и технических дисциплин является случай, когда роль объекта-моделирования в исследовательской или прикладной задаче играет не фрагмент реального мира, рассматриваемый непосредственно, а некая идеальная конструкция, т.е. по сути дела другая модель, созданная ранее и практически достоверная. Подобное вторичное, а в общем случае n-кратное моделирование может осуществляться теоретическими методами с последующей проверкой получаемых результатов по экспериментальным данным, что характерно для фундаментальных естественных наук. В менее развитых в теоретическом отношении областях знания (биология, некоторые технические дисциплины) вторичная модель обычно включает в себя эмпирическую информацию, которую не охватывают существующие теории.

5. Виды моделирования

Моделирование широко распространено, поэтому достаточно полная классификация возможных видов моделирования крайне затруднительна хотя бы в силу многозначности понятия «модель», широко используемого не только в науке и технике, но и, например, в искусстве. Применительно к естественнотехническим, социально-экономическим и другим наукам принято различать следующие виды моделирования:

•концептуальное моделирование, при котором с помощью некоторых специальных знаков, символов, операций над ними или с помощью естественного или искусственного языков истолковывается основная мысль (концепция) относительно исследуемого объекта;

•интуитивное моделирование, которое сводится к мысленному эксперименту на основе практического опыта работников (широко применяется в экономике);

•физическое моделирование, при котором модель и моделируемый объект представляют собой реальные объекты или процессы единой или различной физической природы, причем между процессами в объекте-оригинале и в модели выполняются некоторые соотношения подобия, вытекающие из схожести физических явлений;

41

•структурно-функциональное моделирование, при котором моделями являются схемы, (блок-схемы), графики, чертежи, диаграммы, таблицы, рисунки, дополненные специальными правилами их объединения и преобразования:

•математическое (логико-математическое) моделирование, при котором моделирование, включая построение модели, осуществляется средствами математики и логики;

•имитационное (программное) моделирование, при котором логикоматематическая модель исследуемого объекта представляет собой алгоритм функционирования объекта, реализованный в виде программного комплекса для компьютера.

Перечисленные выше виды моделирования не являются взаимоисключающими и могут применяться при исследовании сложных объектов либо одновременно, либо в некоторой комбинации. Отдельно следует сказать о компьютерном моделировании, являющемся развитием имитационного моделирования.

5.2.Компьютерное моделирование

Первоначально под компьютерным моделированием (или, как говорили, моделированием на ЭВМ) понималось лишь имитационное моделирование. Исторически случилось так, что первые работы по компьютерному моделированию были связаны с физикой. Затем разработанные подходы распространились на задачи химии, электроэнергетики, биологии и некоторые другие дисциплины, причем схемы моделирования не слишком отличались друг от друга. Этот вид моделирования все еще широко распространен и в научных, и прикладных исследованиях.

Однако сегодня понятие «компьютерное моделирование» чаще связывают не с фундаментальными дисциплинами, а в первую очередь с системным анализом. Следует заметить, что компьютер может быть весьма полезен при всех видах моделирования (за исключением физического моделирования, где компьютер тоже может использоваться, но, скорее, для целей управления процессом моделирования). Изменилось и понятие компьютерной модели. Раньше под компьютерной моделью чаще всего понимали имитационную модель

— отдельную программу, совокупность программ или программный комплекс, позволяющий с помощью последовательности вычислений и графического отображения их результатов воспроизводить (имитировать) процессы функционирования объекта. В настоящее время под компьютерной моделью чаще всего понимают структурно-функциональную модель — условный образ объекта, описанный с помощью взаимосвязанных компьютерных таблиц, блок-схем, диаграмм, графиков, рисунков, анимационных фрагментов, гипертекстов и отображающий структуру и взаимосвязи между элементами объекта.

Таким образом, мы видим, что понятие «компьютерное моделирование» значительно шире традиционного понятия «моделирование на ЭВМ» и нуждается в уточнении, учитывающем сегодняшние реалии.

42

Компьютерное моделирование – это метод решения задачи анализа или синтеза объекта на основе использования его компьютерной модели.

Суть компьютерного моделирования заключена в получении количественных и качественных результатов по имеющейся модели. Качественные выводы, получаемые по результатам анализа, позволяют обнаружить неизвестные ранее свойства объекта. Количественные выводы в основном носят характер прогноза некоторых будущих или объяснения прошлых значений переменных, характеризирующих систему.

Предметом компьютерного моделирования могут быть: экономическая деятельность фирмы или банка, промышленное предприятие, информационновычислительная сеть, технологический процесс, любой реальный объект или процесс, например процесс инфляции. Цели компьютерного моделирования могут быть различными, однако наиболее часто моделирование является, как уже отмечалось ранее, центральной процедурой системного анализа.

6.Этапы компьютерного моделирования

1)Описание (постановка) задачи. Задача формулируется на обычном языке. Главное здесь – определить объект моделирования и представить конечный результат.

2)Определение целей моделирования. Прежде всего, необходимо определить цели моделирования в соответствии с поставленной задачей, которые оказывают направляющее влияние на весь процесс моделирования.

3)Разработка информационной модели. Этот этап включает содержательное описание объекта с дальнейшей его формализацией. Выделяются объекты моделирования и дается их развернутое содержательное описание. Описание включает сведения о природе объектов, их зависимости и связи, перечисление свойств и характеристик отдельных объектов и моделируемой системы в целом. Свойства учитываются не все, а лишь те, которые можно считать существенными в зависимости от выбранной цели. В результате выстраивается описательная информационная модель объекта, которую называют вербальной. При формализации модели осуществляется переход от описательной модели к конкретному математическому наполнению. Указывается перечень параметров, которые влияют на поведение объекта – исходные данные, и которые желательно получить – результат. Формализуются зависимости между выделенными параметрами, накладываются ограничения на их допустимые значения. Формализация – процесс построения информационных моделей с помощью формальных языков. Является этапом перехода от словесного описания связей между признаками объекта к описанию, использующему некоторый формальный язык кодирования. Как правило, результатом формализации является математическая модель. Помимо алгебраических зависимостей, математическая модель может иметь геометрическое или логическое представление. Другими знаковыми формами модели, возможными здесь, являются таблицы, блок-схемы, чертежи – все, что способствует лучшему представлению задачи.

43

4)Разработка компьютерной модели. На этом этапе формализованная модель преобразуется в модель компьютерную. Существует множество программных комплексов и сред, которые позволяют проводить построение и исследование моделей. К ним относятся графические среды, текстовые редакторы, среды программирования, электронные таблицы, математические пакеты, СУБД, HTML-редакторы. Одну и ту же задачу можно решить, используя различные среды. От выбора программной среды зависит алгоритм построения компьютерной модели и форма его представления. Это может быть программа, реализуемая в какой-то среде программирования, или последовательность технических приемов в прикладной среде. Выполняется реализация компьютерной модели по законам выбранной среды. Получаемые результаты более информативны и наглядны, если они выведены в виде графиков, диаграмм, траекторий и тому подобное. Модель нельзя назвать готовой, пока в ней содержатся ошибки. Обязателен этап, который называется тестированием модели. В программировании этот этап состоит из процессов трансляции и отладки программы. Уже на этапе тестирования может выявиться необходимость корректировки (изменения) исходной модели, прежде всего в той ее части, где заложено смысловое содержание.

5)Исследование модели. Исследование заключается в проведении серии экспериментов, удовлетворяющих целям моделирования, и накоплении результатов. Эксперимент – это опыт, который производится с объектом или моделью. Он заключается в выполнении некоторых действий, чтобы определить, как реагирует экспериментальный образец на эти действия. Каждый эксперимент должен сопровождаться осмыслением итогов, что служит основой для анализа результатов и принятия решений.

6)Анализ результатов моделирования. Полученные результаты позволяют ответить на вопрос: «Продолжить исследование или закончить?» Если результаты не соответствуют целям поставленной задачи, значит, на предыдущих этапах были допущены ошибки. Если такие ошибки выявлены, то требуется корректировка модели.

7.Выводы

1.Необходимость фиксации информации об объекте исследования или проектирования для хранения и передачи в пространстве или времени приводит

кзадаче моделирования.

2.Моделирование направлено на построение, совершенствование, изучение и применение моделей реально существующих или проектируемых объектов.

3.Модель представляет собой упрощенное подобие объекта, которое воспроизводит только интересующие нас свойства.

4.Необходимость моделирования связана со многими причинами, основные из которых: сложность изучаемых объектов, необходимость экспериментировать и прогнозировать, несоответствие пространственных и временных масштабов объекта и наших возможностей.

44

5.В практической деятельности применяются два основных вида моделей: описательные – для описания свойств реально существующих объектов и нормативные – в задачах проектирования новых объектов.

6.Описательные модели применяются для:

•научных исследований;

•управления;

•прогнозирования;

•обучения.

7.При описательном моделировании, в силу объективных (ограниченной информационной проницаемости среды и ограниченной измерительной возможности) и субъективных (в силу целевой и психологической избирательности) ограничений, происходит лишь частичное отражение информации об объекте в модели. Исходя из этого, модель всегда проще оригинала и есть опасность, что в модели не отражены важные для целевой задачи свойства.

8.Психологическая избирательность связана с такими факторами, как избирательность, конструирование, искажение и обобщение.

9.Основные функции моделей: исследовательская, практическая, тренинговая и учебная. По форме модели бывают: физические, вербальные, графические и знаковые. При этом математические модели являются разновидностью знаковых.

10.Из основных видов моделирования, применяемых в естественно-технических, социально-экономических и других науках, различают: концептуальное, интуитивное, физическое, структурно-функциональное, логико-математическое

иимитационное (программное). Особое место сегодня занимает компьютерное моделирование.

8.Некоторые понятия о моделировании

1.Модель может быть построена для любого объекта, явления или процесса

2.Моделирование – это процесс замены реального объекта (процесса, явления) моделью, отражающей его существенные признаки

3.Новый объект, отражающий существенные особенности изучаемого объекта, процесса или явления, называется моделью

4.Модель считается адекватной, если она описывает все существенные свойства объекта, явления или процесса

5.Функциональные модели служат для имитации поведения реальных объектов в сложных условиях

6.Требованием к модели является сохранение информации о моделируемом объекте в рамках предметной области.

7.После анализа результатов моделирования возможно уточнение параметров модели.

8.Формы представления информационных моделей: образная, знаковая

45

9.Материальное (натурное) моделирование – это моделирование, при котором в модели узнается моделируемый объект

10.Материальный или абстрактный заменитель объекта, отражающий его существенные характеристики, называется моделью

11.Процесс построения модели, как правило, предполагает описание существенных свойств объекта моделирования.

12.Анализ или синтез сложной системы на основе использования ее компьютерной модели называется компьютерным моделированием

13.В процессе компьютерного эксперимента моделирования осуществляется: проверка правильности построения модели, изучение поведения модели

14.В теории моделирования верными являются утверждения: для нескольких объектов может быть использована одна и та же модель, для одного и того же объекта может быть создано несколько моделей

15.Целями моделирования является: решение прикладных задач, создание объектов с заданными свойствами

16.Степень соответствия модели исходному объекту характеризует уровень ее адекватности

17.Порядок следования этапов компьютерного моделирования:

•постановка задачи, определение объекта моделирования;

•разработка концептуальной модели, выявление основных элементов системы и их взаимосвязей;

•формализация, переход к модели создание алгоритма и написание программы;

•планирование и проведение компьютерных экспериментов;

•анализ и интерпретация результатов.

18.Отличительной чертой интеллектуальных систем является использование моделирования знаний для решения задачи из конкретной проблемной области

19.Системы искусственного интеллекта применимы для решения тех задач, в которых имеется неопределенность информации

20.Эвристика – это неформализованная процедура сокращающая количество шагов поиска решений

21.К основным классам моделей (по способу отражения свойств объекта) относят

предметные

22.Модель гравитационного взаимодействия двух тел, записанная в виде формул, является описательной информационной моделью

23.Признаки классификации моделей: цель исследования, фактор времени, область знаний

24.Классификация моделей по целям исследования: имитационные, игровые, опытные

25.Классификация моделей по фактору времени: динамические, статические

26.Классификация моделей по области знаний: экономические, исторические, биологические

46

Тема 5. Технические средства реализации информационных процессов

Содержание

1.Эволюция средств вычислительной техники

2.Технические средства реализации информационных процессов

2.1.Аппаратная конфигурация вычислительной системы

2.2.Базовая аппаратная конфигурация компьютера

3.Дополнительные понятия

4.Контрольные вопросы

1. Эволюция средств вычислительной техники

Компьютеры прошли долгий путь развития. Сегодня в некоторых книгах можно найти упоминание о том, что прапрадедушкой компьютера был абак.

Это не совсем так. Никаких, даже механических операций ни абак, ни счеты производить не могут. С тем же успехом можно загибать пальцы или рисовать палочки на бумаге.

Настоящим предком компьютера были всем известные механические часы. Это действительно инструмент, который может считать без участия человека. Правда, часы отсчитывают не числа, а время, но с точки зрения механики особой разницы нет.

Механизация вычислительных операций началась в XVII веке. На первом этапе для создания механических вычислительных устройств использовались механизмы, аналогичные часовым. Первое в мире механическое устройство для выполнения операций сложения было создано в 1623 году. Его разработал Вильгельм Шикард, профессор кафедры восточных языков в университете Тьюбингена (Германия). Свою машину он так и назвал: «Суммирующие часы».

В1642 году французский механик Блез Паскаль (1623–1662) разработал более компактное суммирующее устройство, которое стало первым в мире механическим калькулятором, выпускавшимся серийно (главным образом для нужд парижских ростовщиков и менял).

В1673 году немецкий математик и философ Г. В. Лейбниц (1646–1717) создал механический калькулятор, который мог выполнять операции умножения

иделения путем многократного повторения операций сложения и вычитания. Идея автоматизации вычислительных операций пришла из той же часовой

промышленности. Старинные монастырские башенные часы были настроены так, чтобы в заданное время включать механизм, связанный с системой колоколов. Такое программирование было жестким – одна и та же операция выполнялась в одно и то же время.

Идея гибкого управления вычислительными операциями принадлежит выдающемуся английскому математику и изобретателю Чарльзу Бэббиджу (1792–1871), воплотившаяся в его Аналитической машине, которая, к сожалению, так и не была до конца построена изобретателем при жизни, но была воспроизведена в наши дни по его чертежам, так что сегодня мы вправе говорить об Аналитической машине, как о реально существующем устройстве.

47

Особенностью Аналитической машины стало то, что здесь впервые был реализован принцип разделения информации на команды и данные. Аналитическая машина содержала два крупных узла: «склад» и «мельницу». Данные вводились в механическую память «склада» путем установки блоков шестерен, а потом обрабатывались в «мельнице» с использованием команд, которые вводились с перфокарт.

Исследователи творчества Чарльза Бэббиджа непременно отмечают особую роль в разработке проекта Аналитической машины графини Огасты Ады

Лавлейс (1815–1852), дочери известного поэта лорда Байрона. Именно ей принадлежала идея использования перфорированных карт для программирования вычислительных операций (1843). Леди Аду можно с полным основанием назвать самым первым в мире программистом. Сегодня ее именем назван один из известных языков программирования.

Аналитическая машина Чарльза Бэббиджа может считаться первым в мире механическим компьютером. Как и всем механическим устройствам, ей были присущи такие недостатки, как конструктивная сложность, громоздкость, малая производительность. Однако, тем не менее, это все-таки был компьютер, поскольку машина была способна выполнять вычисления автоматически. Именно отсутствие автоматичности не позволяет рассматривать такие устройства, как абак и русские счеты в качестве предшественников компьютера.

Контрольные вопросы

1.Что является предком компьютера?

2.Перечислите первые механические устройства, выполняющие вычисления.

3.Кому принадлежит идея гибкого управления вычислительными операциями?

4.Кто является автором Аналитической машины?

5.Какие заслуги в развитии вычислительной техники принадлежат Чарльзу Бэббиджу?

6.Что вы можете рассказать об Аналитической машине Чарльза Бэббиджа?

7.Кто считается первым в мире программистом?

8.Что может считаться первым в мире механическим компьютером?

2. Технические средства реализации информационных процессов

Состав вычислительной системы называют конфигурацией. Конфигурация вычислительной системы включает аппаратные и программные средства, которые представляют собой отдельно аппаратную и программную конфигурации.

48

2.1. Аппаратная конфигурация вычислительной системы

Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочномодульную конструкцию – аппаратную конфигурацию (Hardware), необходимую для исполнения конкретных видов работ и собираемую из готовых блоков и узлов. По способу расположения различают устройства внутренние и внешние. Внешними, как правило, являются большинство устройств ввода-вывода данных и некоторые устройства, предназначенные для длительного хранения данных.

Согласование между отдельными узлами и блоками выполняют с помощью аппаратных интерфейсов.

Аппаратными интерфейсами называют переходные аппаратно-логические устройства.

Стандарты на аппаратные интерфейсы называют протоколами.

Протокол – это совокупность технических условий, обеспечивающих взаимное согласование различных устройств при их совместной работе.

Многочисленные интерфейсы, присутствующие в любой вычислительной системе, можно условно разделить на последовательные и параллельные. Через последовательные интерфейсы данные передаются последовательно бит за битом, а через параллельные – одновременно группами битов. При этом количество битов, участвующих в одной посылке, определяется разрядностью интерфейса (8, 16, 24, 32, 64-разрядные).

Поскольку обмен данными через последовательные интерфейсы производится битами, их производительность измеряют битами в секунду (бит/с, Кбит/с, Мбит/с). Последовательные интерфейсы применяют для подключения «медленных» устройств, когда нет существенных ограничений на продолжительность обмена данными.

Так как обмен данными через параллельные интерфейсы производится группами битов (байтами), то их производительность измеряется байтами в секунду (байт/с, Кбайт/с, Мбайт/с). Параллельные интерфейсы применяют для подключения быстродействующих устройств там, где важна скорость передачи данных.

2.2.Базовая аппаратная конфигурация компьютера

Компьютер – это электронный прибор (универсальная техническая система), предназначенный для автоматизации создания, хранения, обработки и транспортировки данных.

Конфигурация вычислительной системы – это ее состав, включающий аппаратные и программные средства, которые представляют собой отдельно аппаратную и программную конфигурации.

Конфигурацию компьютера (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости. Однако существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой. Понятие базовой конфигурации по мере развития техники может меняться. В настоящее время в состав базовой конфигурации включают системный блок, монитор, клавиатуру и мышь.

49

Системный блок является основным узлом, внутри которого установлены наиболее важные компоненты.

1)Материнская плата – основная плата персонального компьютера. На ней размещаются:

•процессор – основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций;

•микропроцессорный комплект (чипсет) – набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих функциональные основные возможности материнской платы;

•шины – наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;

•оперативная память (оперативное запоминающее устройство – ОЗУ) – набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен;

•постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – микросхема, предназначенная для длительного хранения данных и даже при выключенном компьютере;

•разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты).

2)Жесткий диск – основное устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ. Управление работой жесткого диска выполняет аппаратно-логическое устройство – контроллер жесткого диска. К основным параметрам жестких дисков относятся емкость и производительность. Емкость современных жестких дисков может достигать нескольких Тбайт. Производительность диска оценивается скоростью внутренней передачи данных,

которая может достигать 30÷80 Мбайт/с. С производительностью диска, кроме скорости внутренней передачи данных, напрямую связан параметр среднего времени доступа. Он определяет интервал времени, необходимый для поиска нужных данных. Этот показатель может составлять 5÷10 микросекунд (мкс) в зависимости от скорости вращения диска.

3)Дисковод гибких дисков – специальный накопитель для оперативного переноса небольших объемов информации на гибкие магнитные диски (дискеты) или с дискет на жесткий диск или в ОЗУ.

4)Дисковод компакт-дисков (постоянное запоминающее устройство на основе компакт-диска) – устройство для считывания больших объемов числовых данных

спомощью лазерного луча. Основным параметром дисководов является скорость чтения данных. Она измеряется в кратных долях. За единицу измерения была принята скорость чтения 150 Кбайт/с. Двукратная скорость чтения 300 Кбайт/с, четырехкратная – 600 Кбайт/с и так далее

5)Видеокарта (видеоадаптер) – это устройство, образующее совместно с монитором видеоподсистему компьютера. Видеоадаптер выполнен в виде отдельной дочерней платы, которая вставляется в один из слотов материнской платы и называется видеокартой. Видеоадаптер выполняет функции видеоконтроллера, видеопроцессора и видеопамяти. Одним из важнейших параметров видеосистемы является разрешение экрана. Для каждого размера монитора существует свое оптимальное разрешение экрана, которое должен

50