1.2.4. Процесс обработки данных

Обработка – процесс преобразования информации к такому виду, из которого можно получить знание.

Преобразования, производимые в процессах сбора, передачи и хранения (кодирование, сжатие и т.д.) – это перезапись одной и той же информации, представление ее в разных формах. Ничего нового из этой информации не появляется. В процессе же обработки из имеющейся информации появляется нечто новое.

Пример 1.1. Лошадь и мул несли по несколько мешков с мукой. Лошадь жаловалась на тяжёлую поклажу. «Что ты жалуешься? – отвечал ей мул, – Ведь если я возьму у тебя один мешок, моя ноша станет вдвое тяжелее твоей. А вот если бы ты сняла с моей спины один мешок, твоя поклажа стала бы одинакова с моей». Сколько же мешков несла лошадь, и сколько нёс мул?

Для того чтобы ответить на этот вопрос, надо решить систему уравнений:

(1.1)

Решить ее, т.е. обработать данную информацию, можно, например, методом Крамера.

Шаг 1. Вычислим определитель матрицы системы  = 2(1) – (–1)(–1) = 1. Он не равен 0, значит, система имеет решение.

Шаг 2. Вычислим определители для каждого неизвестного: _Л = 3 + 2 = 5; _М = 4 + 3 = 7.

Шаг 3. Вычисляем каждое неизвестное: ;.

Ответ: Мул нёс 7 мешков, а лошадь – 5.

Иными словами, процесс обработки информации состоит из отдельных шагов. В результате выполнения каждого шага возникает порция новой информации.

Как было сказано в п. 1.1, описание пошагового процесса обработки информации называется алгоритмом.

Вопрос№3

Электронная вычислительная машина (ЭВМ, компьютер) представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами<!--[51]-->.

При рассмотрении ЭВМ как средства обработки информации важную роль играет понятие архитектуры ЭВМ (рис. 3.1).

Под архитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих классов задач.

Архитектура ЭВМ описывает множество особенностей компьютера, среди которых важнейшими являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство эксплуатации, а одним из главных компонентов архитектуры являются аппаратные средства. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Архитектуру вычислительного средства следует отличать от его структуры. Структура компьютера – это описание совокупности его функциональных элементов и связей между ними.

Архитектура

ЭВМ

Вычислительные и логические возможности

Аппаратные средства

Программное обеспечение

Структура ЭВМ

Операционная система

Система команд

Организация

памяти

Языки

программирования

Форматы

данных

Организация

ввода-вывода

Прикладное ПО

Быстродействие

Принципы

управления

Рис. 3.1. Основные компоненты архитектуры ЭВМ

Современные ЭВМ внешне не имеют ничего общего с первыми моделями, созданными в 30 – 40-х годах 20 века. Однако, основополагающие идеи, заложенные в них и связанные с понятием алгоритма, разработанным Аланом Тьюрингом, а также архитектурной реализацией, предложенной Джоном фон Нейманом, пока не претерпели коренных изменений (за исключением систем параллельной обработки информации).

К принципам построения компьютеров, сформулированные Дж. фон Нейманом в 1945 г., относятся следующие

1. Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности без вмешательства человека.

2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Это открывает целый ряд возможностей.

1. Программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм).

2. Более того, команды одной программы могут быть получены в результате исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции – перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских.

Вопрос №4

Любая ЭВМ фон-неймановской архитектуры содержит (рис. 3.2.):

Процессор

Системный интерфейс

АЛУ

УВВ

ЗУ

УУ

ПУ

Рис. 3.2. Обобщенная логическая структура ЭВМ

• арифметико-логическое устройство (АЛУ);

• устройство управления (УУ);

• запоминающее устройство (ЗУ);

• устройства ввода-вывода (УВВ);

• пульт управления (ПУ).

В современных ЭВМ АЛУ и УУ объединены в общее устройство, называемое центральным процессором

Процессор, или микропроцессор, является основным устройством ЭВМ.

Функции процессора:

• обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;

• программное управление работой устройств компьютера.

<TBODY>Та часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ), а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, называется устройством управления (УУ). </TBODY>

Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.

Быстродействие ЭВМ в значительной мере определяется скоростью работы процессора. Для ее увеличения процессор исполь­зует собственную память небольшого объема, именуемую местной, или сверхоператив­ной, что в некоторых случаях исключает необходимость обращения к запоминающему устройству ЭВМ.

Вычислительный процесс должен быть предварительно представлен для ЭВМ в виде программы – последовательности инструкций (команд), записанных в порядке выпол­нения. В процессе выполнения программы ЭВМ выбирает очередную команду, расшиф­ровывает ее, определяет, какие действия и над какими операндами следует выполнить. Эту функцию осуществляет УУ. Оно же помещает выбранные из ЗУ операнды в АЛУ, где они и обрабатываются. Само АЛУ работает под управлением УУ.

Память. Обрабатываемые данные и выполняемая программа должны находиться в запоминающем устройстве – памяти вычислительной машины, куда они заносятся через устройство ввода. Память представляет собой сложную структуру, построенную по иерархическому принципу, и включает в себя запоминаю­щие устройства различных типов. Функционально она делится на две части: внутрен­нюю и внешнюю.

Внутренняя, или основная память – это запоминающее устройство, напрямую свя­занное с процессором

Функции памяти:

• приём информации из других устройств;

• запоминание информации;

• выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Обращение к внутренней памяти ЭВМ осуществляется с высоким быстродействием, но она имеет ограниченный объем, определяемый системой адресации машины.

Внутренняя память, в свою очередь, делится на оперативную (ОЗУ) и постоянную (ПЗУ). Оперативная память, по объему составляющая большую часть внутрен­ней памяти, служит для приема, хранения и выдачи информации. При выключении пи­тания ЭВМ содержимое оперативной памяти в большинстве случаев теряется. Посто­янная память обеспечивает хранение и выдачу информации. В отличие от содержимого оперативной памяти, содержимое постоянной памяти заполняется при изготовлении ЭВМ и не может быть изменено в обычных условиях эксплуатации. В постоянной памяти хранят­ся часто используемые программы и данные, например, некоторые программы операционной системы, программы тестирования оборудования ЭВМ и др. При выключении питания содержимое постоянной памяти сохраняется.

При включении компьютера из ПЗУ в ОЗУ с помощью аппаратных средств загружается короткая программа-“стартер”, которая загружает из внешней памяти блоки операционной системы, необходимые для работы компьютера. После этого компьютер готов к работе.

Внешняя память (ВЗУ) предназначена для размещения больших объемов информа­ции и обмена ею с оперативной памятью. Для построения внешней памяти используют энергонезависимые носители информации (диски и ленты), которые к тому же являют­ся переносимыми. Емкость этой памяти практически не имеет ограничений, а для обра­щения к ней требуется больше времени, чем к внутренней.

Для измерения объема памяти основная единица – байт (8 двоичных разрядов, т.е. 8 бит). Однако используются и единицы, производные от байта (см. таблицу).

Наименование	Количество байт
Слово	2
Двойное слово	4
Килобайт	1024 = 210
Мегабайт	10242
Гигабайт	10243

Внешние запоминающие устройства конструктивно отделены от центральных уст­ройств ЭВМ (процессора и внутренней памяти), имеют собственное управление и вы­полняют запросы процессора без его непосредственного вмешательства. В качестве ВЗУ используют накопители на магнитных и оптических дисках, а также накопители на маг­нитных лентах.

По принципам функционирования ВЗУ разделяются на устройства прямого дос­тупа (накопители на магнитных и оптических дисках) и устройства последователь­ного доступа (накопители на магнитных лентах). Первые обла­дают большим быстродействием, поэтому они являются основными внешними запо­минающими устройствами, постоянно используемыми в процессе функционирования ЭВМ. Вторые используются в основном для резерви­рования информации.

Устройства ввода-вывода служат, соответственно, для ввода информации в ЭВМ и вывода из нее, а также для обеспечения общения пользователя с машиной. Иногда их называют периферийными или внешними устройствами ЭВМ. К ним относятся, в частности, дисплеи (мониторы), клавиатура, манипуляторы типа «мышь», алфавитно-цифровые печатающие устройства (принтеры), графопостроители, сканеры и др. Процессы ввода-вывода протекают с использованием внутренней памяти ЭВМ. Для управления внешними устройствами (в том числе и ВЗУ) и согласования их с системным интерфейсом служат групповые устройства управления внешними устрой­ствами, так называемые адаптеры или контроллеры.

Системный интерфейс – это конструктивная часть ЭВМ, предназначенная для соединения и согласованного взаимодействия её устройств и обмена информацией между ними.

Блочная (модульная) организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между блоками. Магистраль включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления. Каждая шина содержит провода и схемы сопряжения для подключения соответствующих модулей ПК.

- шина данных предназначена для параллельной передачи всех разрядов числового кода операндов выполняемых машинных команд;

- шина адреса предназначена для параллельной передачи всех разрядов адреса ячеек, участвующих в выполнении команды;

- управляющая шина предназначена для передачи управляющих сигналов во все блоки ПК.

Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты примерно по такой схеме:

</TBODY>

Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

<TBODY>Порты устройств представляют собой некие электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода (специальные ячейки памяти под вводимые данные) и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора.

Вопрос №5

Способы представления данных в компьютере. Для представления значений простых данных во внутренней памяти компьютера используют так называемое машинное слово – совокупность двоичных элементов, обрабатываемых как единое целое в устройствах и памяти компьютера. С технической точки зрения машинное слово объединяет запоминающие элементы, служащие для записи 0 или 1 (одного двоичного разряда) в единую ячейку памяти. Первый микропроцессор Intel-4004, созданный в конце 1970 года фирмой Intel работал с 4-разрядными ячейками. В настоящее время наибольшее распространение получили компьютеры с 32-разрядными ячейками (см. рис. 1.5), однако существуют компьютеры и иной разрядности. Доступ к машинному слову в операциях записи и считывания осуществляется по номеру ячейки памяти, который называется адресом ячейки.

№ разряда	31-й разряд	30-й разряд	29-й разряд	28-й разряд	…	…	…	2-й разряд	1-й разряд	0-й разряд
Содержимое	0	0	1	1	…	…	…	1	0	1

Рис. 1.5. 32-разрядное машинное слово

Для представления символов (литерных данных) машинное слово делится на группы по 8 разрядов, в каждую из которых записывается двоичный код символа. Ясно, что в 32-разрядном машинном слове можно записать 4 символа. В представлении целых чисел используется уже все 32 разряда, а для представления одного вещественного (дробного) числа, например, в языке PASCAL используются целых две ячейки.

Пусть в задаче требуется обработать большое количество однотипных данных. Это можно сделать различными способами.

Например, первый способ: запрашивать данные по одному и обрабатывать. Т.е. последовательность действий такая:

1. Ввести значение переменной Х

2. Обработать переменную Х

3. Повторить шаг 1.

Недостаток: на текущий момент доступно только одно текущее значение, для повторной обработки придется запросить все данные повторно.

Второй способ: объявить столько переменных, сколько данных понадобится:

1. Ввести значения переменных X, Y, A, B,…..

2. Обработать переменные Х, Y, A, B,…..

Недостаток: обрабатывать все данные надо одинаково, и программа будет содержать повторяющийся набор однотипных действий, отличающихся только именем переменной, хранящей очередное значение.

Поэтому необходимы структуры, позволяющие хранить однотипные данные и одинаково их обрабатывать. Именно по этой причине в современных компьютерах используются сложные (структурированные) данные. Наиболее простой структурой является массив. Массив – это структура данных одинакового типа, упорядоченных по номерам. Для его хранения во внутренней памяти компьютера отводится непрерывная область, содержащая столько ячеек, сколько необходимо для размещения всех элементов массива.

Другой часто используемой структурой данных является логическая запись. Логическая запись – разнородная совокупность простых данных, имеющая смысловую завершённость. Иными словами, логическая запись объединяет не любые разрозненные по своему содержанию (смыслу) данные, а те, которые характеризуют некий объект. Пример записи – строка списка студентов:

Фамилия

Год рождения

Год поступления в ВУЗ

Курс

Номер зачётной книжки

Рис. 1.6. Пример логической записи

Простые данные, совокупность которых образует запись, называются полями записи. Данные в виде совокупности логических записей могут храниться во внутренней памяти компьютера, но чаще они используются для представления данных во внешней памяти. В этом случае они объединены в файл. Файл – совокупность однородных записей, хранящихся во внешней памяти компьютера. Файлы могут объединяться в каталоги. В операционных системах семейства Windows каталоги называются папками.

Основные фазы процесса хранения информации:

- организация информационных массивов;

- запись данных на носитель;

- реализация алгоритмов ввода, поиска, обновления и вывода информации.

Начиная со средины 60-х годов 20 века, для хранения информации все шире используют так называемые базы данных – централизованные хранилища информации, доступные многим пользователям. Они предоставляют широкий спектр операций по хранению, поиску и манипулированию данными.

При долговременном хранении больших объемов данных используют так называемое сжатие или архивацию данных – запись данных в таком формате, при котором они занимают меньше места, чем при обычном формате хранения.

Вопрос№6