Глава 2. Математическое обеспечение
2.1. Понятие математического обеспечения
Математическое обеспечение ЭВМ (МО) − это совокупность математических методов, алгоритмических языков и системного программного обеспечения (ПО), создаваемых и используемых на всех стадиях подготовки задач к машинному решению, прохождения их через вычислительную среду и оформления результатов решения в виде, удобном для пользователя. Первые ЭВМ создавались без какого-либо МО. Такая ЭВМ впоследствии получила название «голой». Началом МО явились стандартные подпрограммы (СП), библиотеки СП, а также компилирующие и интерпретирующие системы, хранящиеся на ВЗУ и п/к.
Появились первые автокоды, осуществляющие автоматический перевод программ, подготовленных программистами на языках ССК (символьного кодирования), в машинный язык. Отладка программ велась непосредственно за пультом ЭВМ (1950 − 1955гг.). Этот временной интервал может быть определен как зарождение математического обеспечения.
Каждая система ЭВМ имеет свой собственный язык программирования. Он содержит перечень операций, который может выполнить конкретная ЭВМ по заказам пользователя.
Машинный язык − это язык узких сверхпрофессионалов. На машинном языке программировать трудно, поэтому уже на ЭВМ первого и второго поколений появились языки, не совпадающие с машинными. В первую очередь, это делается для повышения производительности труда программистов. В настоящее время для огромного количества пользователей-непрофессионалов разработаны такие «элементарные» языки, которые позволяют вообще не представлять себе уровень работы самой ЭВМ.
СП и затем БСП создавались, в основном, на машинных языках. Машинные языки используются только при разработке средств внутреннего программного обеспечения и при программировании задач, требующих реализации высококачественных, быстродействующих программ.
Мнемокоды или языки символического кодирования отличаются от машинного языка конкретной ЭВМ тем, что все цифровые коды операций заменены буквенными выражениями (мнемоническими), а цифровые адреса − буквенно-цифровыми выражениями. Мнемокод позволял автоматизировать процессы распределения памяти ЭВМ и разрабатывать программу отдельными частями с последующим их объединением в одну большую программу. Мнемокоды составляют первый уровень машинно-ориентированных языков. Перевод в машинный язык осуществляется по принципу «одна в одну».
Второй уровень составляют автокоды, где наиболее часто используемые пользовательские машинные команды объединены в команды, не имеющие аналогов в машинном языке. Перевод в машинный язык осуществляется по принципу «одна в несколько».
2.2. Этапы развития математического обеспечения
Развитием МО ЭВМ явилась разработка трансляторов − программ для перевода с языка пользователя на машинный язык. Были созданы первые алгоритмические языки и разработаны средства трансляции, служебные программы для автоматического распределения памяти и служебные программы для профилактики и контроля работы ЭВМ. Управляющие программы весьма разнообразны по своему составу и сложны по выполняемым функциям.
Появление ЭВМ на полупроводниковых и интегральных схемах позволило стандартизировать многие параметры и унифицировать отдельные типы ЭВМ в ряд моделей, совместимых по своим конструктивным, программным и стилевым особенностям. Возникла необходимость дальнейшего совершенствования МО.
Расширение сфер эксплуатации ЭВМ привело к увеличению и разнообразию МО, к созданию отдельного направления МО − специального ПО (по отраслям и направлениям). Стремление повысить экономическую эффективность эксплуатации ЭВМ явилось основой для разработки и создания все усложняющихся операционных систем. Доля МО в комплексе ЭВМ приблизилась к 90% общей стоимости затрат.
Компьютер к настоящему времени является не специальным устройством, а обычным рядовым рабочим инструментом дилетанта, владеющего лишь азами компьютерной грамотности. К началу 80-х годов в мире сложилась достаточно сложная ситуация. К этому времени для всех развитых стран образовался весьма ощутимый дисбаланс между автоматизацией производства и автоматизацией управления этим производством. Производство автоматизировалось самым активным образом, а управление этим производством не автоматизировалось, поэтому основное внимание было обращено не на автоматизацию производства, а на автоматизацию управления производством. По статистике в высоко развитых странах производство было автоматизировано на 83%, в то время как производительность конторского труда всего на 4%. Для преодоления этой диспропорции необходимо было решить проблему общения ЭВМ с неподготовленными людьми. Возникла необходимость новой информационной технологии.
Выход: интеллектуальные возможности компьютера должны резко возрасти, нужны специалисты, разрабатывающие методы, позволяющие имитировать в технологических системах фрагменты творческой деятельности. Автоматизация программистского труда требовала введения в ЭВМ новых компонент. Создается новая идеология компьютера, способного подготовить программу решения задачи по словесному описанию ее условий. Кроме традиционных ЭВМ структура такого компьютера должна включать в себя еще три блока: процессор общения, планировщик и базу знаний . Эти три блока объединяют под названием «интеллектуальный интерфейс» (рис.2.1). Эти блоки составляют обычную программу, которую раньше писал программист и с помощью которых обычная ЭВМ решает задачу пользователя.
Процессор общения должен переводить исходный текст задачи на внутренний язык системы и результат работы ЭВМ − на язык, понятный пользователю.
Планировщик строит рабочую программу по описанию условий задачи, полученному от процессора общения, осуществляется это на базе знаний. В этой модели описаны все необходимые сведения о способах решения задач в данной области. В ней хранятся СП для типовых задач, из них и строит планировщик нужную программу. Контакт с такой системой прост и доступен каждому неспециалисту. Создается новый стиль работы с ЭВМ (рис. 2.2). Появляются новые системы общения трех основных видов: интеллектуальные информационно-поисковые, экспертные и расчетно-логические.
Рис. 2.1. Компьютер с обогащенной структурой
Рис. 2.2. Новый стиль работы с ЭВМ
Интеллектуальные информационно-поисковые системы характеризуются большими справочно-информационными фондами, постоянно пополняющимися сведениями, а также имеют способность формировать соответствующие ответы на запросы пользователя, даже если запрос сформулирован недостаточно четко. Разрабатываются специальные вопросно-ответные языки и методы классификации и структурирования знаний.
Экспертные системы − наиболее распространенные. Их задача − накопление ответов специалистов, работающих в плохо формализованных областях знаний. Конкретная экспертная система ориентирована на жесткофиксированную проблемную область − это автоматизированный справочник-ответчик для специалиста. Экспертные системы отличаются качественно новым и весьма важным психологическим свойством: в них есть специальная система объяснения, ее задача − разъяснить пользователю те основания, на которых базируется выдаваемая рекомендация.
Расчетно-логические системы выполняют множество процедур, используемых в задачах проектирования, планирования и диспетчеризации. Развивается новая технология проектирования с постепенным вытеснением посредников между ЭВМ и конечным пользователем (аналитики, прикладные программисты и пр.).
Развитие этой технологии идет по трем направлениям.
− Появление баз знаний вместе с системами управления базами знаний (СУБЗ). Отладка программ ускоряется в сотни раз. Программист имеет возможность накапливать библиотеку отлаженных программ или их частей − программных модулей, чтобы формировать из них рабочие программы.
− Создание пакетов прикладных задач. Системное объединение прикладных программ привело к созданию пакетов прикладных программ (ППП), которые можно условно разделить на 2 класса:
- ориентированные на методы решения;
- ориентированные на ту или иную проблемную область.
− Полное освобождение от посреднических услуг программистов и связанных с этим проблем. Здесь отмечаются две тенденции: язык человека упрощается и формализуется, приближаясь к языку ЭВМ, и язык ЭВМ приближается к языку человека. Это более фундаментальное решение проблемы общения, которое получило название «интеллектуальные средства» общения, т.к. формируется из программно-аппаратных средств искусственного интеллекта, т.е. из программ, имеющихся в базе знаний ЭВМ и современных технических средств. Таким образом, мир компьютера объединяется с миром пользователя и осуществляется переход к новой информационной технологии. На данном этапе возникает тенденция перехода к технологии непосредственной работы пользователя на ЭВМ, минуя программиста.
Появление интеллектуализированных ЭВМ и сетей из таких ЭВМ позволяет решить и еще одну задачу.
В больших коллективах при решении большой общественной задачи знания, умения и ответственности обычно разделены между узкими специалистами. С появлением новых ЭВМ решаются многие социально-психологические аспекты, т. к. вместо разобщенно работающих специалистов появляется общность людей, работающих над общим полем информации, хранящемся в памяти ЭВМ, и согласовывающих свои действия через ЭВМ. Вместо единого компьютера можно использовать сеть территориально размещенных ЭВМ, объединенных для пользователей в единую виртуальную машину. В такой сети знания и ответственность могут быть распределены по многим подсистемам, взаимосвязанным как по вертикали, так и по горизонтали.
