инфопособие2011

астролябию. Однако, особенно интенсивное развитие она получила с середины 50-х годов ХХ века, одновременно с бурным развитием цифровой техники. Толчком для этого послужило создание стабилизированного операционного усилителя постоянного тока. Этот усилитель позволил создавать отвечающие необходимым требованиям функциональные блоки, выполняющие разнообразные математические операции: арифметические, интегрирование, дифференцирование, воспроизведение функций одной и двух переменных и др.

Внашей стране в создании АВТ принимали участие такие известные ученые как Л.И.Гутенмахер, В.А.Трапезников, И.М.Витенберг, Б.Я.Коган, Пухов Г.Е. и др. В настоящее время как у нас в стране, так и за рубежом продолжаются разработки в области АВТ, однако, эти исследования не так широко представляются, как исследования в области ЦВМ в связи с тем, что используются и предназначены АВМ для решения научных и технических задач и не являются источником проведения досуга.

Вотличие от дискретной, в основе АВТ заложен принцип моделирования, а не счета. При использовании в качестве модели некоторой

задачи электронных цепей, каждой переменной величине задачи ставится в соответствие определенная переменная величина электронной цепи. При этом, основой построения такой модели является изоморфизм (подобие) исследуемой задачи и соответствующей ей электронной модели.

Из теории моделирования известно, что идентичность двух математических зависимостей изучаемого объекта и его модели не обеспечит абсолютной аналогичности их поведения. Для обеспечения возможности моделирования изучаемого объекта, необходимо соблюдать определенные критерии подобия, позволяющие по значениям параметров модели определять значения соответствующих величин исследуемого объекта. В большинстве случаев при определении критериев подобия используются специальные приемы масштабирования соответствующих значений параметров модели и переменных задачи, то есть АВМ реализует модель, изоморфную

исследуемой задаче.

Согласно своим вычислительным возможностям, АВМ наиболее приспособлены для исследования объектов, динамика, которых описывается обыкновенными и в частных производных уравнениями, а также алгебраическими и некоторыми другими типами уравнений.Следовательно, относительно класса решаемых задач АВМ носят специальный характер, в отличие от ЦВМ, предназначенных для задач универсального характера. Современные АВМ также как и ЦВМ можно разбить на три класса:

специального, общего и персонального назначения.

Специальные АВМ ориентированы на решение отдельных задач или одного класса задач, описываемых, как правило, обыкновенными

дифференциальными уравнениями в форме задачи Коши с начальными условиями. Они используются в основном как управляющие, бортовые и ориентированные на решение отдельных задач.

АВМ общего назначения служат для решения широкого класса задач моделирования. Эти машины используются для решения задач, описываемых уравнениями в частных производных. (задачи гидро- и аэродинамики, теплопроводности и др.).

АВМ общего назначения условно делятся на три класса по их возможности решать задачи, описываемые уравнениями п-го порядка: малые (п 10, к ним относятся МН-10М, АВК-31, МПТ-9); средние (10 п 20 – АВК-

2(2), АВК-32, PACER-600) и большие (п>20 –АВК-2(5), ЭМУ-200, PACER-700).

Персональные АВМ, они производятся настольного и напольного вариантами с использованием современных электронных технологий, что позволяет решать на них широкие классы задач математического моделирования относительно невысокой размерности. В последние годы так же как и в области дискретной техники, здесь наметилась персонализация АВМ, о чем свидетельствует рост их производства и разнообразие моделей, например,

MEDA (Чехия), EAI, Dornier (США).

7.2Основные характеристики АВМ

Вотличие от ЦВТ, точность, которой определяется ее разрядностью,

точность вычислений на АВМ ограничена и определяется качеством изготовления элементной базы и основных узлов. Поэтому точность решения задач на АВМ находится в пределах (0,1-6)% или в числовом диапазоне (0,0001-1) т.е. на уровне большинства физических и инженерно-технических задач. Тогда как для целого класса задач производительность АВМ существенно превышает аналогичный показатель для ЦВМ. Это объясняется параллельным принципом решения задач на АВМ, когда результат решения получается мгновенно и одновременно во всех точках модели. Данная особенность делает весьма целесообразным использование АВМ в замкнутых системах автоматического регулирования и для решения задач в режиме реального времени. Вместе с тем, специфика решения задач на ЦВМ состоит в том, что она часто связана с оптимизацией параметров, изменением исходных данных и просмотром многих вариантов решения. Поэтому в основу сравнения производительности АВМ и ЦВМ целесообразно класть время решения аналогичных задач; при этом предполагается одинаковая точность, устанавливаемая по АВМ. Быстродействие АВМ оценивается количеством эквивалентных операций в секунду ЦВМ,решающей ту же задачу за то же время и с той же точностью. Оценки эквивалентного быстродействия АВМ,

проведенные фирмой EAI (США) и НИИсчетмаш, показали, что значительное превосходство АВМ перед ЦВМ по данному показателю.

Широкое применение АВМ, особенно в системах управления, (включая бортовые), требует повышенной надежности, обеспечиваемой коснтруктивнотехнологическими решениями. В специальных управляющих АВМ предусматривается частичное или полное резервирование их узлов. На современном уровне развития АВТ и ЦВТ их надежностные показатели, практически совпадают. Используя в своей работе непрерывную логику, АВМ способны выполнять лишь ограниченный набор логических операций (выбор минимакса, условные переходы и др.), существенно уступая ЦВМ в решении задач логического характера. Вместе с тем, АВМ имеют существенные преимущества перед ЦВМ при использовании их в системах автоматического

решения на АВМ существенно проще аналогичной работы для ЭВМ, так как не требует специальных знаний по программированию и методам алгоритмизации. Вполне достаточно профессиональных знаний в своей области и освоения несложной методики моделирования на АВМ.

7.3 Гибридная вычислительная техника

Под ней понимается класс вычислительных средств, использующий как аналоговую, так и дискретную формы представления и обработки информации их архитектура это аналоговая ВТ в дискретной и наоборот.

Наиболее яркими представителями гибридной вычислительной техники являются:

АВМ, использующие цифровые методы численного анализа (ИТЕРАТОР-1);

АВМ, программируемые с помощью ЦВМ. Для них на ЦВМ создаются программы, позволяющие вычислять все масштабные коэффициенты и другие исходные данные для настройки АВМ для решения задачи, например, программа Apache;

АВМ с цифровым управлением и логикой. Используют цифровые логические схемы для управления решением задач аналоговыми методами

(HYDAC);

АВМ с цифровыми элементами (цифровые вольтметры, функциональные преобразователи, запоминающие устройства и т.д.);

небольшая ЭВМ под управлением большой АВМ служит для решения специальных классов моделирования;

собственно ГВМ – содержат в достаточном объеме как аналоговые, так и цифровые узлы для обеспечения самых широких классов задач, решаемых отдельно только АВМ или только ЦВМ. Такое соединение дает машины

нового качества; ЦВМ с АВМ в качестве периферийного оборудования;

ЦВМ с аналоговыми арифметическими устройствами служат для увеличения быстродействия ЦВМ путем распараллеливания ряда операций аналоговыми средствами;

ЦВМ, допускающие программирования аналогового типа, так называемые цифровые анализаторы: ЦВМ с аналого-ориентированными программными средствами, ориентированными на пользователя АВТ; программирование на ЦВМ подобно решению задачи на АВМ (например ФОРТРАНо-подобные системы MIMICиCSMP).

К машинам типа ГВМ относятся: Comcor, EAI, ADI, PACER (США); MIDA, ADT, HRA, (Чехия, ГДР); Dornier(Германия); АВК-32, АЦВС-33,

АЦВК-3, ГВС-100 (СССР).

ГВМ используются для анализа и обработки данных экспериментов, проводимых на реальных технических или медико-биологических системах, для решения задач нелинейного и линейного программирования, оптимального управления, краевых задач, систем нелинейных уравнений, линейных корректных и некорректных задач. Они позволяют моделировать дискретные и с распределенными параметрами системы, человеко-машинные системы и случайные процессы, оптимизировать сложные системы, проводить исследования в авиации, космической технике, решать задачи АСУТП, медикобиологические и физико-технические, вычислительной математики и дрСледует отметить, что гибридная вычислительная техника развивается по тем же законам, что и дискретная. Современным ГВМ требуется многопроцессорная аналоговая часть, они допускают расширения своих возможностей за счет копмлексирования базовых комплектов (HYSHARE– до 6 АВМ типа EAI-2000, Русалка до 7 АВМ ЭМУ-200). В свою очередь, создание ГВТ служит толчком для развития ЦВМ нефоннеймановского типа, использующих распараллеливание операций и имеющих нетрадиционную архитектуру.

ГВТ также можно разделить на специальные, общего назначения и персональные аналогично ЦВМ и АВМ.

отличие ПК от микро-ЭВМ в том, что микро-ЭВМ может быть направлена на решение одной задачи, например на регулирование подачи топлива в автомобильный двигатель, т.е. микро-ЭВМ предназначены для решения узких задач.

ПК – представляет индивидуальному пользователю самые разнообразные возможности, которые расширяются с развитием компьютерной техники. Поэтому ПК можно представлять как систему, обладающую как минимум следующими характеристиками:

1.Стоимость всей системы доступна рядовому пользователю;

2.В состав системы входит периферийная память в виде дискет или компакт-дисков, либо она может подключаться к аналогичным устройствам других систем;

3.Микропроцессор способен работать с памятью объемом не меньше 64 килобайт (память современных ПК, как уже указывалась, исчисляется Гига и Тетрабайтами);

4.ПК способен работать с программами, написанными, по крайней мере,

на одном из языков программирования высокого уровня (Кобол, Паскаль

ит.п.);

5.В программное обеспечение должна обязательно входить операционная система;

6.ПК рассчитаны на широкую продажу;

7.Система достаточно универсальна, что дает возможность выполнить обширный набор программ для различных приложений.

Эти характеристики ПК, как было сказано в источнике этой информации, не являются окончательными, с развитием ПК они будут, несомненно, меняться»

В настоящее время такие характеристики ПК кажутся архаичными. Класс персональных ЭВМ сегодня складывается из весьма разнообразных видов машин от настольных систем, до карманных компьютеров.Компьютеры встроены в телевизоры, кухонную технику, устройства управления автомобилей и медицинскую технику. Появилось понятие «умный дом». Дом, который может управляться удаленно с помощью интернет-технолгий.

Сегодня никто не использует для разработки программ карманные персональные компьютеры – смартфоны и коммуникаторы, а также интернетпланшетники или электронные книги, да и назначение у них совсем другое. Тем не менее, они относятся к классу персональных компьютеров. Пожалуй, общее, что объединяет все эти устройства, что позволяет их называть персональными компьютерами – это наличие операционной системы и то, что они предназначены для эксплуатации одним пользователем (рис. 7.2 и7.3) .д

С другой стороны, для всех таких устройств стоило бы найти другое объединяющее их название, а персональными компьютерами, называть те устройства, которые можно использовать не только для игр, выхода в Интернет, телефонной и видеосвязи (этими свойствами обладают уже и смарт-телевизоры), а, отдавая дань понятию, заложенному в, слове «компьютер» (вычислитель) и тому, для чего ПК и ПЭВМ (персональные вычислительные машины) создавались, называть так только те устройства, с помощью которых можно создавать программное обеспечение, производить вычисления, разрабатывать модели, заниматься научными исследованиями.

7.5 Сферы использования ЭВМ

Несмотря на то, что изучаемые нами машины носят название электронных вычислительных машин, они не являются только вычислительными машинами, как это уже указывалось выше.

Они способны манипулировать лингвистическими знаками и символами - т. е. символами, которым приписан некоторый смысл. Постепенное освоение логических задач позволило применить ЭВМ в отраслях далеких от математики. И это очень важно, хотя бы потому, что численные вычисления в человеческой деятельности занимают не более 30% . В настоящее время ЭВМ служат для хранения, передачи и выбора информации, которую они могут воспринимать и передавать в виде специальных символов, предназначенных непосредственно для «мозга» машины, языков программирования, алфавита, звуковых и световых сигналов и т.п. В связи с расширением возможностей ЭВМ, расширяется и сфера их использования. В настоящее время уже невозможно назвать сферу человеческой деятельности, где обходились бы без ЭВМ. Естественно, что интенсивность применения компьютеров зависит от экономических возможностей отрасли, страны, заинтересованных лиц и от компьютерной грамотности пользователей – то есть степени информатзации. В связи с тем, что электронная промышленность это наиболее быстро развивающаяся отрасль, то информацию о новых возможностях ЭВМ и расширение областей их применения, а также о новых устройствах для обработки информации и связи лучше прослеживать по специальной литературе и периодическим изданиям, например, в журналах «Компьютер пресс», «PC magazin», «Монитор» и др., регулярно печатающих подобную информацию и дающую советы пользователям, а также посещать соответствующие сайты Интернета.

Контрольные вопросы и задания:

1.В чем отличие формы представления информации в аналоговой и дискретной технике?

2.Какие преимущества имеет аналоговая техника перед дискретной? Какие дискретная перед аналоговой?

3.На какие классы разбиваются современные АВМ?

4.Что такое гибридная вычислительная техника? Какие преимущества у ГВТ перед АВТ и ЦВТ?

5.Подготовьте рефераты на следующие темы:

«Современные пакеты программ, использующие моделирование»; «ЭВМ нефоннеймановского типа».

6.Приведите примеры сфер человеческой деятельности, где не применяются компьютеры или другие электронные устройства?

7.Подготовьте сообщение или реферат на тему «Умный дом»

8.Какие отрасли науки, промышленности, здравоохранения и т.п. в нашей стране требуют более интенсивной информатизации?

9.Какими бывают современные персональные компьютеры?

10.Назовите свойства, присущие персональным компьютерам.

11.Какие устройства используются в качестве внешней памяти персональных компьютеров?

12.Какие современные устройства для обработки информации относят

кперсональным компьютерам?

13.Какие из современных устройств обработки информации и связи, и в каких случаях помогают вам в учебе?-

14.Какие функции, ранее присущие только персональным компьютерам выполняют сегодня сотовые телефоны?

15.Как планшеты и КПК могут помочь в образовании?

16.Перечислите в какую бытовую технику сегодня встраиваются компьютеры

Глава 8. СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ И КОДИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ

8.1 Что такое кодирование

С древности человек научился ставить в соответствие материальные предметы их образу. Образом в данном случае могли быть как реалистичные картины, восстанавливающие картину охоты, количество встреченных или убитых животных (наскальная живопись) или рисунки отражающие процесс сбора урожая, количество связанных снопов или кувшинов с маслом (например, древнеегипетские рисунки), так и, например, камешки, ракушки, зарубки, количественно соответствующие тем или иным предметам или животным. Такого рода процесс соответствия предметов их образам уже можно назвать процессом кодирования информации. То есть: кодирование информации, это преобразование ее в форму, удобную для передачи, хранения или автоматической переработки.

Причем, информацию одного и того же вида кодировать можно поразному, в зависимости от ее назначения. Например. Человеческую речь, издаваемые человеком звуки, в европейской азбуке кодируют в виде отдельных букв или их сочетаний, а вьетнамская или японская азбуки (кроме иероглифов у японцев есть еще две азбуки – китакана и хирагана) представляют собой слоги из двух букв. Китайцы и японцы используют также сложные знаки – иероглифы, которые обозначают не только отдельные слова, но и целые предложения, иероглифы использовали также в древнем Египте и американские индейцы. В то же время, звуки, которые могут быть воспроизведены музыкальным инструментом, представляют в виде специальных знаков – нот.

В свою очередь, письменную речь можно также кодировать, во-первых, для того чтобы она не была понятной тем, кому она не предназначена, тогда процесс кодирования называется – шифрованием. Во-вторых, еѐ необходимо кодировать для того чтобы с ней могли работать устройства, предназначенные для автоматизированной обработки информации, например компьютеры.

Кроме кодирования звуковой речи, то есть, перевода еѐ в письменную, у человека с древности была необходимость в кодировании количественной или числовой информации. Для этого им были придуманы различные системы счисления.

Система счисления – способ записи чисел по определенным правилам с помощью знаков, именуемых цифрами. Асистема нумерации – это правила записи чисел.