Управление и кибернетика. Определения, общие законы управления

 

Вариант 3

1. 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.

 

2. 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;

• устройство ввода;

• устройство вывода.

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.

• Оперативная память