Вариант
3
- Управление
и кибернетика. Определения, общие законы
управления.
В 1948 году в США и Европе вышла книга американского
математика Норберта Вивера «Кибернетика,
или управление и связь в животном и машине».
Эта книга провозгласила рождение новой
науки — кибернетики.
Не случайно время
появления этого научного направления
совпало с созданием первых ЭВМ. Н. Вивер
предвидел, что использование ЭВМ для
управления станет одним из важнейших
их приложений, а для этого потребуется
глубокий теоретический анализ самого
процесса управления. Этому и посвящена
наука кибернетика.
Что такое
управление.
Управление есть целенаправленное
воздействие одних объектов, которые являются
управляющими, на другие объекты — управляемые.
Простейшая ситуация
— два объекта: один — управляющий, второй
— управляемый. Например: человек и телевизор,
хозяин и собака, светофор и автомобиль.
В первом приближении взаимодействие
между такими объектами можно описать
схемой, изображенной на рисунке ниже:
Рис.1 Управляющее воздействие.
В приведенных примерах
управляющее воздействие производится
в разных формах: человек нажимает кнопку
или поворачивает ручку управления телевизором;
хозяин голосом подает команду собаке;
светофор разными цветами управляет движением
автомобилей и пешеходов на перекрестке.
С кибернетической
точки зрения все варианты управляющих
воздействий следует рассматривать как
управляющую информацию, передаваемую
в форме команд.
В примере с телевизором
через пульт управления передаются команды
следующего типа: «включить/выключить»,
«переключить канал», «увеличить/уменьшить
громкость». Хозяин передает собаке команды
голосом: «Сидеть!», «Лежать!», «Взять».
Световые сигналы светофора шофер воспринимает
как команды: красный — «стоять», желтый
— «приготовиться», зеленый — «ехать».
Алгоритм
управления.
В данном выше определении
сказано, что управление есть целенаправленный
процесс, т. е. команды отдаются не случайным
образом, а с вполне определенной целью.
В простейшем случае цель может быть достигнута
после выполнения одной команды. Для достижения
более сложной цели бывает необходимо
выполнить последовательность (серию)
команд.
Последовательность
команд по управлению объектом, выполнение
которой приводит к достижению заранее
поставленной цели, называется алгоритмом
управления.
В таком случае объект
управления можно назвать исполнителем управляющего
алгоритма. Значит, в приведенных выше
примерах телевизор, собака, автомобиль
являются исполнителями управляющих алгоритмов,
направленных на вполне конкретные цели
(найти интересующую передачу, выполнить
определенное задание хозяина, благополучно
проехать перекресток).
С точки зрения кибернетики
взаимодействие между управляющим и управляемым
объектами рассматривается как информационный
процесс. С этой позиции оказалось,
что самые разнообразные процессы управления
в природе, технике, обществе происходят
сходным образом, подчиняются одним и
тем же принципам.
Кибернетика — наука
об общих свойствах процессов управления
в живых и неживых системах.
Управление — это целенаправленное
воздействие управляющего объекта на
объект управления.
С точки зрения кибернетики
управление происходит путем информационного
взаимодействия между объектом управления
и управляющим объектом.
Последовательность
управляющих команд определяется алгоритмом
управления, а исполнителем этого алгоритма
является объект управления.
- Технические средства
реализации информационных процессов.
Память ЭВМ и принципы её работы. Основные
характеристики. Иерархия типов памяти.
Совокупность устройств, предназначенных
для автоматической или автоматизированной
обработки данных, называется вычислительной
техникой .
Конкретный набор, взаимодействующих
между собой устройств и программ, предназначенный
для обслуживания одного рабочего участка,
называется вычислительной
системой.
Центральным устройством большинства
вычислительных систем является компьютер.
Компьютер – это электронный прибор,
предназначенный для автоматизации создания,
обработки, хранения и транспортировки
данных. Состав вычислительной системы
называется конфигурацией. Архитектура ЭВМ
– общее описание структуры и функций
ЭВМ, ее ресурсов.
В это описание входит:
общая конфигурация основных
устройств;
основные возможности и характеристики
устройств;
способы взаимосвязи основных
устройств компьютера.
Ресурсы ЭВМ – средства вычислительной
системы, которые могут быть выделены
процессу обработки данных на определенный
интервал времени. К ресурсам ЭВМ традиционно
относят объем доступной памяти, процессорное
время и др. К центральным (системным) устройствам компьютера относят,
прежде всего, центральный процессор,
оперативную память, системную магистраль.
Периферийными устройствами компьютера являются: дисплей,
клавиатура, манипуляторы – мышь, джойстик,
световое перо и т.п., винчестер, дисководы
для гибких и компакт-дисков, принтер,
плоттер, сканер, модем и пр.
Порт – устройство, через которое
периферийные устройства подключаются
к системной магистрали.
При разработке принципов архитектуры
компьютеров широко используется идея
о разделении отдельных операций процесса
решения задачи (процесса вычислений)
между отдельными "специализированными"
устройствами.
Когда Чарльз Бэббидж разрабатывал
аналитическую счетную машину в 1830-х гг.
он предположил, что для успешной работы
необходимы как минимум следующие устройства
(рис. 2):
устройство для обработки данных,
в котором непосредственно осуществляются
вычисления ("мельница");
устройство для хранения данных
("склад");
устройство для управления
процессом вычислений ("контора").
Рис. 2. Архитектура аналитической
счетной машины с точки зрения Ч.Бэббиджа
Разработке Бэббиджа не суждено
было воплотиться в действующей модели,
но идеи о разделении отдельных операций
процесса вычислений между отдельными
"специализированными" устройствами
получили дальнейшее развитие в принципах
архитектуры компьютеров, традиционно
называемых принципами фон Неймана (1940-е
гг.). Эти принципы таковы :
принцип программного управления
- все устройства работают под управлением
программ. Программы состоят из отдельных
шагов – команд. Последовательность команд
и является программой;
принцип условного перехода
- существует возможность менять последовательность
вычислений в зависимости от полученных
промежуточных результатов;
принцип хранимой программы
- программы и данные к ним хранятся в одной
той же памяти. Команды представляются
в числовой форме и хранятся в том же ОЗУ,
что и данные для вычислений. Таким образом,
команды можно посылать в арифметическое
устройство и преобразовывать как обычные
числа. Это позволяет создавать программы,
способные в процессе вычислений изменять
сами себя;
принцип иерархичности запоминающих
устройств – память делится на оперативную (быстрая, небольшого размера) и долговременную (большую, а потому медленную). Наиболее часто используемые данные хранятся в быстром ЗУ сравнительно малой емкости, а более редко используемые в медленном, но гораздо большей емкости;
принцип двоичного кодирования
– вся информация в компьютере хранится
и обрабатывается в двоичном коде.
Начиная с первых ЭВМ (1940-е гг.),
реализовывалась схема взаимодействия
устройств компьютера, основанная на этих
принципах, представленная на рис. 3.
Рис. 3. Схема взаимодействий
устройств компьютера согласно архитектуре
фон Неймана: УУ – устройство управления;
АЛУ – арифметико-логическое устройство.
В современных компьютерах блоки УУ и
АЛУ объединены в блок, называемый процессором. В состав
процессора, кроме указанных блоков, входят
также несколько регистров – специальных
небольших областей памяти, куда процессор
помещает промежуточные результаты и
некоторую другую информацию, необходимую
ему в ближайшие такты работы.
Структура компьютера основана
на общих логических принципах, позволяющих
выделить следующие устройства:
память, состоящую из пронумерованных
ячеек (ОЗУ и ПЗУ);
процессор, включающий в себя
арифметико-логическое устройство (АЛУ)
и устройство управления (УУ). Та часть
процессора, которая выполняет команды,
называется АЛУ, другая его часть, выполняющая
функции управления устройствами, называется УУ.
Обычно эти 2 устройства выделяются условно,
конструктивно они не разделены;
Основу персональных компьютеров
составляет находящаяся в системном блоке
системная ("материнская") плата,
на которой размещены системные (центральные)
устройства компьютера – процессор и
память (оперативная и постоянная), соединенные
между собой системной шиной (информационной
магистралью), к которой подсоединяются
контроллеры всех периферийных устройств,
подключаемых к компьютеру (рис. 4).
Рис. 4. Схема архитектуры персонального
компьютера
Примечание. БР – блок регистров; ОЗУ –
оперативное запоминающее устройство;
ПЗУ – постоянное запоминающее устройство;
НЖМД – накопитель на жестком магнитном
диске; НГМД – накопитель на гибком магнитном
диске; НОД – накопитель на оптическом
диске; ГТИ – генератор тактовых импульсов.
Периферийными считаются и
клавиатура, и монитор, и винчестер, и дисководы,
и модем, и манипуляторы, и сканер, и видеокамера,
и т.д. Дополнительные устройства, позволяющие
пользователю компьютера слушать музыку,
смотреть видеоролики, работать в сети
и т.д., подключаются через специальные
платы расширения. Невозможна работа компьютера
и без таких вспомогательных (с точки зрения
процесса обработки информации) устройств,
как блок питания, система охлаждения
и пр.
Существует несколько разновидностей
памяти: оперативная, постоянная, внешняя,
кэш, CMOS, регистровая.
Регистровая память представляет
собой блок регистров, размещенный внутри
процессора. На рисунке показана только
кэш-память первого уровня, которую обозначают
символами L1. Кэш-память второго уровня
(обозначается символами L2) располагается
на материнской памяти. Кэш-память третьего
уровня (обозначается символами L3) выполняется
на быстродействующих микросхемах и размещается
на материнской памяти вблизи процессора.
Для непрерывной работы CMOS-памяти на материнской
плате устанавливается малогабаритный
аккумулятор или батарея питания.
Память
Память компьютера построена
из двоичных запоминающих элементов - битов, объединенных
в группы по 8 битов, которые называются байтами. Все
байты пронумерованы. Номер байта называется
его адресом.
Байты могут объединяться в
ячейки, которые называются также словами. Для
каждого компьютера характерна определенная
длина слова - два, четыре или восемь байтов.
Это не исключает использования ячеек
памяти другой длины (например, полуслово,
двойное слово).
В одном машинном слове может
быть представлено либо одно целое число,
либо одна команда. Допускаются переменные
форматы представления информации.
Разбиение памяти на слова для
четырехбайтовых компьютеров представлено
в таблице:
Байт 0 |
Байт 1 |
Байт 2 |
Байт 3 |
Байт 4 |
Байт 5 |
Байт 6 |
Байт 7 |
ПОЛУСЛОВО |
ПОЛУСЛОВО |
ПОЛУСЛОВО |
ПОЛУСЛОВО |
СЛОВО |
СЛОВО |
ДВОЙНОЕ СЛОВО |
Широко используются и более
крупные производные единицы объема памяти: Килобайт, Мегабайт,
Гигабайт, а также, в последнее время, Терабайт и Петабайт.
Современные компьютеры имеют
много разнообразных запоминающих устройств,
которые сильно отличаются между собой
по назначению, временным характеристикам,
объёму хранимой информации и стоимости
хранения одинакового объёма информации.
Различают два основных вида
памяти – внутреннюю и внешнюю.
Внутренняя
память
В состав внутренней памяти
входят оперативная память,
кэш-память и специальная память.