Управление и оптимизация / Osnovi informatsionnikh i komputernikh tekhnologiy 2011

подготовлена профессиональная, психологическая и социальная база для перехода на новый этап развития технологии, подготовка к переходу к информационному типу общества.

5-й этап (с середины 80-х гг.) - "компьютерная" ("новая") технология, основным инструментарием которой является персональный компьютер с широким спектром стандартных программных продуктов разного назначения. На этом этапе происходит процесс персонализации АСУ, который проявляется в создании систем поддержки принятия решений определенными специалистами. Подобные системы имеют встроенные элементы анализа и интеллекта для разных уровней управления, реализуются на персональном компьютере и используют телекоммуникации. В связи с переходом на микропроцессорную базу существенным изменениям подвергаются и технические средства бытового, культурного и прочего назначений. Начинают широко использоваться в различных областях глобальные и локальные компьютерные сети.

История развития ЭВМ

История развития ЭВМ условно делится на отрезки, называемые поколениями ЭВМ. Вычислительные машины, принадлежащие к различным поколениям, отличаются элементной базой, функционально-логической организацией, конструктивно-технологическим исполнением, программным обеспечением, техническими и эксплуатационными характеристиками, степенью доступа к ЭВМ со стороны пользователя.

Идея использования программного управления для построения устройства, автоматически выполняющего арифметические вычисления, была впервые высказана английским математиком Ч.Бэббиджем еще в 1833г. Однако его попытки построить механическое вычислительное устройство с программным управлением не увенчались успехом.

Основным активным элементом ЭВМ первого поколения (1949-1958) является электронная лампа. (Остальные элементы: резисторы, конденсаторы, трансформаторы). Большинство таких машин были экспериментальными устройствами, предназначенные для проверки тех или иных теоретических положений. Именно в это время были разработаны базовые положения: Джон фон Неман разработал основные принципы архитектуры, которые до сих пор являются основополагающими, Клодом Шенноном создана теория информации, Алан Тьюринг разработал теорию программ и алгоритмов, Норберт Винер является родоначальником кибернетики. Машины первого поколения характеризуются большими размерами, малым быстродействием и емкостью оперативной памяти (ОП), невысокой надежностью и недостаточно развитым программным обеспечением (ПО).

Основной активный элемент ЭВМ второго поколения (1959-1963) – транзистор. По сравнению с первым поколением заметно уменьшены размеры устройств, их стоимость, масса и потребляемая мощность,

21

повышена надежность и быстродействие, увеличен объём памяти. Отличительными чертами ЭВМ второго поколения являются специализация по применению, использование алгоритмических языков, появление многопрограммных ЭВМ. Впервые появились операционные системы, разработаны первые языки высокого уровня: Фортран, Кобол, Алгол.

Третье поколение (1964-1976) характеризуется широким применением интегральных схем (ИС). ИС - это законченный функциональный блок, соответствующий сложной транзисторной схеме. Отличительными чертами третьего поколения являются увеличение количества используемых устройств ввода-вывода, развитие операционных систем, возможность удаленного доступа пользователей к ЭВМ, виртуальное использование ЭВМ в режиме разделения времени, применение методов автоматического проектирования. В это же время появляется полупроводниковая память, которая и по всей день используется в персональных компьютерах в качестве оперативной. В 1969 году появилась первая компьютерная сеть.

Четвёртое поколение (1977-1990) характеризуется применением больших интегральных схем (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС). Основой данных компьютеров является микропроцессорная архитектура. Отличительными особенностями поколения являются развитие мини- и микроЭВМ, появление и развитие персональных компьютеров и рабочих станций. Компьютеры становятся общедоступными.

Пятое поколение (1990-по настоящее время) предполагает переход к новым архитектурам и ориентируется в первую очередь на создание искусственного интеллекта. Как и четвертое поколение в основе лежит микропроцессорная архитектура. Основные требования к компьютерам 5-го поколения: создание развитого человеко-машинного интерфейса (распознавание речи, образов); развитие логического программирования для создания баз знаний и систем искусственного интеллекта; создание новых технологий в производстве вычислительной техники; создание новых архитектур компьютеров и вычислительных комплексов, отличных от архитектуры Фон-Немана.

Классификация ЭВМ

По назначению ЭВМ можно разделить на три группы: универсальные (общего назначения), проблемно-ориентированные и специализированные.

Универсальные ЭВМ предназначены для решения различных видов задач: научных, инженерно-технических, экономических, информационных, управленческих и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и объемами обрабатываемых данных. Для работы инженеров пожарной безопасности необходимо специализированное программное обеспечение, предназначенное для решения задач МЧС. В случае возникновения ЧС необходимо быстро решать задачи, связанные с осуществлением управления, с наладкой централизованной связи и оповещением между подразделениями, в том числе работающими в эпицентре происшествия, и руководящим

22

центром, что не всегда возможно оперативно сделать в полевых условиях. Для этой цели разрабатывается специализированное оборудование. Например, рабочее место Рм662 [7], которое предназначено для работы оператора автоматизированной системы управления специального назначения: возможно подключение, синхронизация и управление периферийными устройствами, находящимися как в непосредственной близости от рабочего места, так и на удалении, для визуализации поступающей информации используются жидкокристаллические мониторы, в количестве, необходимом для выполнения возложенных на Рм задач. Для ввода и оперирования информацией применяется стационарная клавиатура и манипулятор или пульт с выдвижной клавиатурой. По желанию заказчика Рм оснащается графическим планшетом, дающим возможность перевода в электронный вид нанесённой на него информации.

Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам. На проблемно-ориентированных ЭВМ, в частности, создаются всевозможные управляющие вычислительные комплексы.

Специализированные ЭВМ используются для решения еще более узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, во многих случаях существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы.

В системе МЧС применяется комплекс средств автоматизации Системы вызова экстренных оперативных служб через единый номер «112» (КСА Системы-112), в состав которого входят программно-технические комплексы (ПТК) приема и обработки вызовов для ЕДДС (единой дежурнодиспетчерской службы) и ДДС и система связи и передачи данных. Поставляемые ПТК создаются с использованием стандартного серийного компьютерного оборудования и средств передачи данных, а также сертифицированных средств защиты информации и лицензионного программного обеспечения. Основу КСА составляют ПТК приёма и обработки вызовов, которые устанавливаются в ЕДДС. В их состав входит серверное и технологическое оборудование, рабочие станции и программные комплексы (ПК). Для повышения эффективности решения задач по обеспечению общественной безопасности в состав ПТК могут включаться технические и программные средства мониторинга объектов, видеонаблюдения и оповещения.

Функционирует национальный центр управления в кризисных ситуациях (НЦУКС) — компьютеризированная система управления, которая способна в режиме реального времени проинформировать о чрезвычайной ситуации миллионы человек. При этом она позволяет не только быстро приступить к ликвидации последствий происшествия, но и просчитать его вероятность, что способствует предотвращению.

23

В соответствии с поручением Министра МЧС России проведено оснащение оперативных групп всех главных управлений по субъектам Российской Федерации мобильными комплексами видеоконференцсвязи (МКВКС) для работы из районов ЧС. Эти комплексы предназначены для быстрой организации спутниковых каналов видеоконференцсвязи, телефонии, передачи данных с мест ЧС наземными подразделениями МЧС России.

Лабораторная работа «Работа с числами в различных системах счисления»

Цели работы:

−познакомиться с разными системами счисления;

−научиться переводить числа из одной системы счисления в другую, научиться выполнять арифметические операции с числами в разных системах счисления;

−развить информационную компетенцию: умение находить необходимую информацию, интегрировать полученные теоретические знания с практическими навыками, решать поставленные задачи, уметь самостоятельно обрабатывать информацию, находить новые пути решения;

−сформировать инструментальную компетенцию: владеть развитыми учебными навыками и готовностью к продолжению образования, обладать способностью к применению на практике полученных знаний.

Алгоритм перевода целого числа А из десятичной системы счисления

всистему счисления с основанием X.

1.Разделить целое число А на основание системы счисления Х.

2.Полученное неполное частное, которое опять нужно разделить на основание системы Х.

3.Повторять пункт 2 до тех пор, пока полученное неполное частное не будет меньше основания Х.

4.Записать остатки от деления в порядке "от последнего к первому".

Пример. Перевести число 3110 в 2-ю систему счисления.

Решение.

Для перевода числа воспользуемся приведенным выше алгоритмом. Для этого будем делить число 31 на основании системы счисления в которую его переводим, в данном случае на 2, до тех пор, пока полученное неполное частное не станет меньше 2.

Реализация алгоритма приведена ниже на рисунке.

Для того, чтобы получить ответ необходимо записать остатки от деления в порядке, обратном их получению.

24

Ответ: 3110 = 111112.

Замечание. При переводе чисел в систему счисления с основанием большим, чем 9 при записи числа необходимо заменить все остатки большие 9 соответствующими им символами, которые приняты в данной системе счисления. В частности, в шестнадцатеричной системе счисления, необходимо заменить 10 на A, 11 на B и так далее.

Пример. Перевести число 62210 в 16-ю систему счисления.

Решение.

Ответ: 62210 = 26E16.

Алгоритм перевода целого числа А из системы счисления с основанием X в десятичную систему счисления.

Операция перевода в десятичную систему выглядит гораздо проще, так как любое десятичное число можно представить в виде x = a0*pn + a1*pn-1 + ...

+ an-1*p1 + an*p0, где a0 ... an - это цифры данного числа в системе счисления с основанием p, поэтому выполнив вычисления мы получим число в десятичной форме.

Пример. Перевести число 4A3F16 в десятичную систему счисления.

Решение.

Напомним, что А соответствует 10, F – 15.

По определению, 4A3F16= 4*163+A*162+3*16+F. 4*163+10*162+3*16+15= 19007.

Ответ: 19007.

25

Пример. Перевести число 10001101112 в десятичную систему счисления.

Решение.

10001101112=1*2^9+1*2^5+1*2^4+1*2^2+1*2^1+1*2^0=567

Ответ: 567.

Алгоритм перевод правильных дробей из десятичной системы счисления в недесятичную, с основанием Х.

1.Умножить дробную часть числа на основание той системы счисления, в которую переводим (умножаются только дробные части!).

2.У полученного числа целая часть «отбрасывается», а дробная часть опять умножается на основание системы счисления.

3.Шаг 2 выполняется до тех пор, пока не дробная часть полученного числа не будет равна нулю, или не будет достигнута заданная точность.

4.Для получения числа полученные при выполнении алгоритма целые части записываются в порядке их получения в дробную часть нового числа.

Пример. Перевести 0,312510 в 8-ю систему счисления.

Решение.

Ответ: 0.312510 = 0.248.

Пример. Перевести 0,6510 в 2-ю систему счисления. Точность 6 знаков.

Решение.

Ответ: 0.6510 0.10(1001)2.

Алгоритм перевода неправильной десятичной дроби в систему счисления с недесятичным основанием:

1.необходимо отдельно перевести целую часть,

2.перевести дробную часть.

26

Пример. Перевести 23,12510 в 2-ю систему счисления.

Решение.

1) Переведем целую часть: 2) Переведем дробную часть:

Таким образом: 2310 = 101112; 0.12510 = 0.0012. Ответ: 23.12510 = 10111.0012.

Замечание. Целые числа остаются целыми, а правильные дроби - дробями в любой системе счисления. Сохраняется четность чисел.

Алгоритм перевода восьмеричного или шестнадцатеричного числа в двоичную форму.

Необходимо заменить каждую цифру этого числа соответствующим трехразрядным двоичным числом (триадой) или четырехразрядным двоичным числом (тетрадой) (см. Таблицу 1) при этом отбрасывают ненужные нули в старших и младших разрядах.

Пример.

а) Перевести 305,48 в 2-ю систему счисления.

Решение.

Ответ: 11000101,1.

б) Перевести 7B2,E16 в 2-ю систему счисления.

Решение.

Ответ: 11110110010,111.

Алгоритм перевода из двоичной в восьмеричную (шестнадцатеричную) систему счисления.

1.Двигаясь от точки влево и вправо, разбивают двоичное число на группы по три (четыре) разряда.

2.В случае нехватки цифр крайние левые и правые триады (тетрады) дополняют нулями.

3.Затем триаду (тетраду) заменяют соответствующей восьмеричной (шестнадцатеричной) цифрой.

27

Пример.

а) Перевести 1101111001.11012 в 8-ю систему счисления.

Решение.

Ответ: 1571,64.

б) Перевести 11111111011.1001112 в 8-ю систему счисления.

Решение.

Ответ: 7FB,9C.

Алгоритм перевода из восьмеричной в шестнадцатеричную систему и обратно.

Перевод осуществляется через двоичную систему с помощью триад и тетрад.

Пример.

Перевести 175,248 в 16-ю систему счисления.

Решение.

Ответ: 175.248 = 7D.516.

Двоичная арифметика

При выполнении арифметических операций используются следующие правила.

При сложении двоичных чисел в каждом разряде производится сложение цифр слагаемых и переноса из соседнего младшего разряда, если он имеется. При этом необходимо учитывать, что 1+1 дают нуль в данном разряде и необходимо перенести единицу в следующий разряд.

Пример.

Выполнить сложение двоичных чисел:

а) X=1101, Y=101;

28

Решение.

Ответ: 1101+101=10010.

б) X=1101, Y=101, Z=111;

Решение.

Ответ: 1101+101+111=11001.

При вычитании двоичных чисел в данном разряде при необходимости занимается 1 из старшего разряда. Эта занимаемая 1 равна двум 1 данного разряда.

Пример.

Заданы двоичные числа X=10010 и Y=101. Вычислить X-Y.

Решение.

Ответ: 10010 - 101=1101.

Умножение двоичных чисел производится по тем же правилам, что и для десятичных с помощью таблиц двоичного умножения и сложения.

Пример.

Заданны двоичные числа X=1001 и Y=101. Вычислить 1001 101.

Решение.

Ответ: 1001 101=101101.

29

Деление двоичных чисел производится по тем же правилам, что и для десятичных. При этом используются таблицы двоичного умножения и вычитания.

Пример.

Заданны двоичные числа X=1100.011 и Y=10.01. Разделить X на Y.

Решение.

Ответ: 1100.011 : 10.01=101.1.

Таблица 1.

Соответствие чисел в различных системах счисления

Лабораторная работа «кодирование информации»

Цели работы:

−познакомиться с правилами кодирования текстовой и графической информации,

−научиться определять информативность сообщений,

−развить информационную компетенцию: способность использовать базовые знания в области математики и информационных технологий при решении прикладных задач,

30