13. Тенденции и перспективы развития эвм: этапы развития эвм, развитие эвм по размерам и функциональным возможностям

Способность принимать, передавать, запоминать и некоторым образом обрабатывать разнообразную информацию является, по-видимому, одним из самых главных признаков живого мира. На ранних этапах развития человеческого общества информация играла в жизни отдельного человека и групп людей ту же самую роль, что и во всей живой природе. Однако по мере усложнения взаимодействия между людьми, по мере повышения сложности решаемых задач человеку приходилось формировать все более и более сложные сигналы для передачи и обработки все более сложной информации.

Появление письменности можно считать исторически первым этапом развития информационных технологий, которое существенно ускорило развития человеческого общества. Изобретение в середине 15 века печатного станка, стало началом эры бумажной информатики.

Почти через 200 лет после появления печатного станка были разработаны первые устройства для механической обработки числовой информации. С этого времени начался механический этап в развитии средств обработки информации. Изобретенные в 1641-1645 годах Б.Паскалем «суммирующая машина» и в 1671-1677 годах Г.Лейбницем «арифмометр» уже можно считать своеобразными «механическими вычислителями», которые выполняли целый ряд вычислительных действий без вмешательства человека.

Идея автоматизации механических устройств с помо­щью перфорированной бумажной ленты впервые была реализована в 1804 г. в ткацком станке Жаккарда. В 1834 г. в аналитической машине Ч.Бэббиджа впервые был реализо­ван принцип разделения информации на команды и данные. Электромеханический этап в развитии средств обработки информации относится к концу 19 века с началом развития электротехники.

В 30-х годах 20 века в разных странах начались разработки принципиально иных устройств – программно-управляемых релейных вычислительных машин. Первая в полном смысле этого слова ЭВМ(электронная вычислительная машина) была разработана в 1943-1945 годах в Пенсильванском университете США под руководством Д.Маучли и П.Эккрета. Дж. фон Нейман, анализируя работу первых ЭВМ, пришел к выводу о необходимости хранения выполняющихся программ и обрабатываемых по этим программам данных внутри машины, а не вне ее. Первой машиной с хранимой программой является компьютер «EDSAC», построенный в 1949 году. По мере развития технологической базы машины уменьшались в размерах, становились все более надежными. Появлялись новые долговременные носители информации, удобные средства для организации взаимодействия человека и машины.

Наиболее революционные изменения в сфере обработки информации произошли в 80-х годах после широкого внедрения персональных компьютеров (ПК) или персональных ЭВМ (ПЭВМ). Появление ПК связано с микроминиатюризацией всех основных узлов и элементов вычислительных машин. Благодаря множеству заранее разработанных программ созданы все возможности для использования вычислительных машин при решении задач обработки информации почти во всех областях человеческой деятельности.

Главной тенденцией развития вычислительной техники в настоящее время является дальнейшее расширение сфер применения ЭВМ и, как следствие, переход от отдельных машин к их системам – вычислительным системам и комплексам разнообразных конфигураций с широким диапазоном функциональных возможностей и характеристик.

14. Перспективы развития ЭВМ, основанных на принципах фон-Неймана, нейрокомпьютеры и перспективы их развития

Большинство современных ЭВМ функционируют на основе принципов, сформулированных в 1945 году американским ученым венгерского происхождения Джоном фон Нейманом:

1. Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных символов (сигналов).

2. Принцип программного управления. Компьютерная программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

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

4. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, любая из которых которая доступна процессору в произвольный момент времени.

Согласно фон Нейману, ЭВМ состоит из следующих основных блоков (рис 2.1): 1) устройства ввода/вывода информации; 2) памяти ЭВМ; 3) процессора, включающего устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ)

В ходе работы ЭВМ информация через устройства ввода попадает в память. Процессор извлекает из памяти обрабатываемую информацию, работает с ней и помещает в нее результаты обработки. Полученные результаты через устройства вывода сообщаются человеку.

Память ЭВМ состоит из двух видов памяти: внутренняя (оперативная) и внешняя (долговременная) память.

15. Этапы решения задач на ЭВМ

Программирование (programming) - теоретическая и практическая деятельность, связанная с созданием программ. Решение задач на компьютере включает в себя следующие основные этапы, часть из которых осуществляется без участия компьютера.

1. Постановка задачи:

• сбор информации о задаче;

• формулировка условия задачи;

• определение конечных целей решения задачи;

• определение формы выдачи результатов;

• описание данных (их типов, диапазонов величин, структуры и т. п.).

2. Анализ и исследование задачи, модели:

• анализ существующих аналогов;

• анализ технических и программных средств;

• разработка математической модели;

• разработка структур данных.

3. Разработка алгоритма:

• выбор метода проектирования алгоритма;

• выбор формы записи алгоритма (блок-схемы, псевдокод и др.);

• выбор тестов и метода тестирования;

• проектирование алгоритма.

4. Программирование:

• выбор языка программирования;

• уточнение способов организации данных;

• запись алгоритма на выбранном языке

программирования.

5. Тестирование и отладка:

• синтаксическая отладка;

• отладка семантики и логической структуры;

• тестовые расчеты и анализ результатов тестирования;

• совершенствование программы.

6. Анализ результатов решения задачи и уточнение в случае необходимости математической модели с повторным выполнением этапов 2-5.

7. Сопровождение программы:

• доработка программы для решения конкретных задач;

• составление документации к решенной задаче, к математической модели, к алгоритму, к программе, к набору тестов, к использованию.

16. Понятие модели, классификация моделей. Виды моделирования

Моделирование — это создание модели, т. е. образа объекта, заменяющего его, для получения информации об этом объекте путем проведении экспериментов с его моделью.

Модели объектов являются более простыми системами, с четкой структурой, точно определенными взаимосвязями между составными частями, позволяющими более детально проанализировать свойства реальных объектов и их поведение в различных ситуациях. Таким образом, моделирование представляет собой инструмент анализа сложных систем и объектов.

К моделям выдвигается ряд обязательных требований.

Во-первых, модель должна быть адекватной объекту, т. е. как можно более полно соответствовать ему с точки зрения выбранных для изучения свойств.

Во-вторых, модель должна быть полной. Это означает, что она должна давать возможность с помощью соответствующих способов и методов изучения модели исследовать и сам объект, т. е. получить некоторые утверждения относительно его свойств, принципов работы, поведения в заданных условиях.

Множество применяющихся моделей можно классифицировать по следующим критериям:

- способ моделирования;

- характер моделируемой системы;

- масштаб моделирования. По способу моделирования различают следующие типы моделей:

- аналитические, когда поведение объекта моделирования описывается в виде функциональных зависимостей и логических условий;

- имитационные, в которых реальные процессы описываются набором алгоритмов, реализуемых на ЭВМ.

По характеру моделируемой системы модели делятся:

- на детерминированные, в которых все элементы объекта моделирования постоянно четко определены;

- на стохастические, когда модели включают в себя случайные элементы управления. В зависимости от фактора времени модели делятся на статические и динамические. Статические

модели (схемы, графики, диаграммы потоков данных) позволяют описывать структуру моделируемой системы, но не дают информации о ее текущем состоянии, которое изменяется во времени. Динамические модели позволяют описывать развитие во времени процессов, протекающих в системе. В отличие от статических, динамические модели позволяют обновлять значения переменных, сами модели, динамически вычислять различные параметры процессов и результаты воздействий на систему.

Сам процесс моделирования может быть представлен в виде цикла, в котором можно выделить пять этапов.

1. Постановка проблемы и ее анализ — выделяются важные черты и свойства объекта, исследуются взаимосвязи элементов в структуре объекта, формулируются гипотезы, объясняется поведение и развитие объекта.

2. Построение модели — выбирается тип модели, оценивается возможность сто применения для решения поставленных задач, уточняется перечень отображаемых параметров моделируемого объекта и связи между ними. Для сложных объектов определяется возможность построения нескольких моделей, отражающих различные аспекты функционирования объекта.

3. Подготовка исходной информации — осуществляется сбор данных об объекте (на основании изучения модели). Затем происходит их обработка с помощью методов теории вероятности, математической статистики и экспертных процедур.

4. Проведение расчетов и анализ результатов эксперимента — производится оценка достоверности результатов.

5. Применение результатов на практике — работа с моделируемым объектом с учетом его предполагаемых свойств, полученных при изучении моделей. При этом полагается, что эти свойства с достаточным уровнем вероятности действительно присущи данному объекту. Последнее положение должно основываться на результатах предыдущего этапа.

Если полученные на пятом этапе результаты недостаточны, изменился сам объект или его окружающая среда, то происходит возврат к первому этапу и новое прохождение цикла моделирования.

При построении системы информационного обеспечения управленческой деятельности обычно используют три основные модели:

- модель самой организации как объекта управления;

- модель управленческих структур организации в их связи с управляемой системой;

- модель внешней среды, с которой взаимодействует организация.

17. Инструментарий решения функциональных и вычислительных задач

Инструментарий решения функциональных и вычислительных задач

Сложность решения функциональных и вычислительных задач привело к развитию компьютерной математики. Компьютерная математика - это совокупность методов и средств, обеспечивающих максимально комфортную и быструю подготовку алгоритмов и программ для решения математических задач любой сложности, при этом в подавляющем большинстве случаев с высокой степенью визуализации всех этапов решения.

В настоящее время компьютерные математические системы можно подразделить на 7 основных классов:

1. Системы для численных расчетов.

2. Табличные процессоры.

3. Матричные системы.

4. Системы для статистических расчетов.

5. Системы для специальных расчетов.

6. Системы для аналитических расчетов (компьютерной алгебры).

7. Универсальные системы.

Каждая из математических систем имеет определенные специфические для нее свойства, которые необходимо учитывать при решении конкретных задач.

Простейшими системами для численных расчетов являются встроенные калькуляторы, которые не следует путать с реальными калькуляторами, что носят в карманах пиджака. В качестве характерного примера является калькулятор, встроенный в операционную систему Windows.

Работа с подобным калькулятором отражает важную особенность - обмен данными между отдельными приложениями. Он позволяет резко повысить производительность труда пользователя. Числа с экрана калькулятора можно скопировать в буфер и переслать, например, в текстовый редактор. Таким образом, реализуется идея интеграции математических систем.