1. Принципы построения и функционирования компьютеров

1.1. Назначение компьютеров и принцип программного управления

Первые компьютеры применялись исключительно для выполнения вычислений. Затем сфера применения компьютеров бескрайне расширилась, и ныне компьютеры используются для обработки текстовой и графической информации, изображений, речи и других форм представления информации. Компьютер ­– это техническая система, предназначенная для обработки данных (информации) на основе программ (алгоритмов).

Области применения компьютеров. Необходимость в вычислениях появляется в виде задач, которые люди должны решать в процессе научной, инженерной, производственной, управленческой и любой другой деятельности. Задача – это совокупность результатов, которые необходимо получить из имеющейся исходной информации. Совокупность задач, решение которых возлагается на компьютер, определяет область применения компьютера. Принято выделять три основные области применения компьютеров: научно-технические применения, коммерческие применения и специальные применения.

Научно-технические применения связаны с решением научных и инженерных задач. Основная особенность этих задач – большой объем вычислений над относительно небольшим количеством данных, представляемых в форме действительных чисел (чисел с плавающей запятой). Научные задачи связаны с моделированием процессов в системах: механических, электрических, электромагнитных, химических, биологических, социальных и т.д. Технические задачи решаются системами автоматизации проектирования (САПР) различного назначения: САПР механических, электротехнических, радиотехнических, оптических и других систем. Как и научные задачи, технические применения связаны со значительным объемом вычислений для моделирования и обработки графической информации, представляемой в виде схем, чертежей и трехмерных изображений различного назначения.

Компьютеры, ориентированные на научно-технические применения, должны иметь большую вычислительную мощность при умеренной емкости памяти, используемой для хранения данных, а компьютеры для инженерных применений должны быть хорошо приспособлены для работы с графической информацией.

Коммерческие применения компьютеров связаны с информационным обслуживанием бизнес‑процессов: банковской, торговой, страховой и тому подобной деятельности, управления производствами и транспортом, организации деятельности подразделений, предприятий, корпораций, регионов и т.д. Коммерческие применения порождают сравнительно небольшой объем вычислений над данными, представленными в основном целыми числами и в виде текстов. Однако объем данных, с которым оперируют коммерческие системы, обычно велик, а во многих применениях просто огромен. Кроме того, данные интенсивно перемещаются между участниками бизнес-процессов, что требует оснащения компьютеров мощной системой памяти и развитыми системами коммуникаций для передачи (ввода‑вывода) данных.

В области коммерческих применений компьютеров выделяют две специфичных подобласти: офисные применения и обработка транзакций.

Офисные применения – информационное обеспечение деятельности работников подразделения, предприятия, организации, корпорации или отрасли, т.е. территориально разделенной группы работников, связанных с общими для всех них данными. Компьютеры в офисных системах обеспечивают работу отдельных служб: бухгалтерский и складской учет, планирование производства, административное управление и т.д., а также обеспечивают хранение баз данных, организацию документооборота на предприятии, электронную почту и другие аналогичные функции.

Обработка транзакций – обеспечение доступа значительного числа удаленных клиентов к базам данных. Обработка транзакций сводится к получению сообщения от клиента, поиску в базе данных требуемой записи, корректировке записи на основе данных, поступивших от клиента, возврата откорректированной записи в базу данных и, возможно, выполнение других действий, связанных с поступившим сообщением. Источниками транзакций могут быть заказчики продукции, услуг, банкоматы и т.д. Тысячи потенциальных клиентов посредством системы телекоммуникаций имеют доступ к центральному узлу – системе обработки транзакций, который должен обеспечивать перемещение больших объемов данных и обрабатывать транзакции за короткое время.

Специальные применения компьютеров связаны с использованием компьютеров для управления оборудованием и техническими системами: технологическими установками, металлообрабатывающими станками, транспортным оборудованием, средствами связи, воздушным движением и т.д. В такого рода применениях компьютер является интеллектуальной частью технической системы и выполняет специфичные функции управления и контроля состояния технической системы. При этом компьютер получает информацию о состоянии технической системы с помощью датчиков физических величин: перемещений, скоростей, температуры, массы и т.д. На основе этих данных путем вычислений формирует управляющие воздействия, которые поступают к исполнительным узлам управляемой системы и обеспечивают требуемый режим функционирования системы. В таких системах темп (динамика) работы управляемого объекта предопределяет темп работы компьютера, т.е. быстродействие компьютера должно соответствовать динамике управляемого объекта: чем выше динамика управляемого объекта, тем большее быстродействие должен иметь компьютер. Такого рода системы, в которых динамика управляемого объекта согласована с временем формирования управляющих воздействий, называется системами реального времени (СРВ).

Многообразие применений компьютеров, т.е. многообразие задач, решение которых возлагается на компьютеры, предопределяет многообразие самих компьютеров. Так, для обеспечения деятельности одного человека может быть достаточен персональный компьютер стоимостью 1-2 тыс. долларов, для обеспечения профессиональной деятельности инженера – графическая рабочая станция стоимостью 5‑10 тыс. долларов, а для обеспечения работы группы физиков – суперкомпьютер стоимостью миллионы долларов. Аналогично, для обеспечения деятельности подразделения некоторого предприятия необходимо компьютерное оборудование стоимостью десятки или сотни тысяч долларов, но для обеспечения деятельности корпорации требуются мощные компьютеры, стоимость которых составляет сотни, тысячи и миллионы долларов. Таким образом, разнообразие компьютеров столь же велико, как многообразие областей их применения.

Задачи, алгоритмы и программы. Решение задачи с применением компьютера – многоэтапный процесс (рис. 1.1).

Этап

1

Задача

Необходимые результаты

Исходная информация

Результаты

Алгоритм

Исходные данные

2

Результаты

Программа

Данные

3

Компьютер

4

Результаты

Данные

Рис. 1.1. Схема решения задачи

Первый этап – постановка задачи: определение исходной информации, необходимой для решения задачи, и состава результатов, представляющих решение задачи.

Второй этап – алгоритмизация: определение способа решения задачи – алгоритма. Алгоритм – это совокупность действий над информацией (данными), приводящих к преобразованию исходных данных в требуемые результаты. Алгоритм описывается на естественном языке, в том числе с использованием математической и другой профессиональной терминологии и символики.

Третий этап – программирование: составление программы, представляющей алгоритм на машинном языке – языке программирования для конкретного компьютера.

Четвертый этап – решение задачи по программе, загруженной в компьютер. Программа, управляя работой компьютера, обеспечивает ввод исходных данных, выполнение над ними последовательности операций и вывод полученных результатов для последующего использования. Вычисления по программе могут производиться многократно для различных значений исходных данных.

Принцип программного управления. Программа, загруженная в компьютер, управляет работой компьютера, предписывая порядок выполнения действий над данными. В соответствии с программой аппаратура компьютера обеспечивает ввод исходных данных в компьютер, их хранение в памяти компьютера, выполнение последовательности арифметических и логических операций над строками символов (текстами) и вывод конечных результатов на экран монитора или на печатающее устройство. Таким образом, компьютер – только исполнительная система, функционированием которой управляет программа. Именно программа определяет порядок действий, исполняемый аппаратурой компьютера.

Программа настраивает компьютер на решение определенной задачи. Замена программы на другую программу, предназначенную для решения другой задачи, приводит к изменению функции компьютера – компьютер уже решает другую задачу. Таким образом, функция компьютера определяется загруженной в компьютер программой.

Принцип обработки информации, основанный на определении процесса обработки в виде программы, загружаемой в компьютер и используемой компьютером, называется принципом программного управления.

Когда существует возможность замены программ в компьютере, то в силу только этого свойства компьютер становится универсальным, т.е. способным решать различные задачи. Однако любой компьютер имеет ресурсы ограниченной мощности: ограниченную емкость памяти, определяющую предельное количество информации, размещаемой в компьютере, ограниченную производительность, определяемую предельным количеством операций, выполняемых за секунду, ограниченную скорость ввода и вывода информации. Следовательно, каждый компьютер, будучи универсальным, ограничивает класс задач, которые могут решаться на компьютере за приемлемое время.