Технические средства реализации информационных процессов

Исполнителемназывается некоторая биологическая, техническая или смешанная структура, способная исполнять (покомандно или программно) некоторый класс алгоритмов в некоторой операционной среде (некотором множестве допустимых "инструментов" и "команд").

Наиболее используемые типы исполнителяалгоритмов –человекилиавтомат(компьютер).

Человеккакисполнительалгоритмов – совокупность исполняющих подсистем (мышечная, двигательная, зрительная, обонятельная и др.) и управляющей подсистемы (нервная, нейронная).

Нервная системапередает информацию, получаемую от нервных окончаний кожи, глаз, ушей и других органов, к нервным центрам для ее последующей интеграции, обработки и выработке адекватной реакции.Нервная система– совокупность взаимодействующих нервных клеток илинейронов. Учеловекаих – громадное количество.

Пример.По различным оценкам физиологов, в коре переднего мозгачеловека– около 50 млрднейронов.Нейроны, хотя и работают медленно (около сотни инструкций в секунду), но могут за счет более эффективного взаимодействия друг с другом и организации сложнейших нейроструктурных связей (кластеров) решать сложные мыслительные задачи, принимать решения.

Пример.Такая плохо структурируемая, но "простая" длячеловеказадача, как "одеться по погоде", решается быстро с помощью обработки зрительной, слуховой информации и согласованной "нейронной" оценки ситуации, хотя она и плохо формализуемая. Компьютеру эту задачу решать будет намного сложнее. С другой стороны, вычислительные ресурсычеловекаограничены по сравнению с возможностями компьютера, который во много раз лучше (быстрее, точнее) решает хорошо формализуемые и хорошо структурируемые задачи.

Нейроныслужат для передачи информации за счет нервных импульсов, которая расшифровывается в соответствующих областях коры головного мозга.

В непосредственную (сенсорную) памятьчеловекапоступает информация от различных сенсоров: зрительных, слуховых, обонятельных и т.д. Затем эта информация переводится в оперативную память (память сознания). Далее она пересылается вдолговременную памятьс привлечением подсознания ("укладывается на полочки" с соответствующими названиями "Формы поведения", "Объекты и образы", "Правила и процедуры обнаружения и идентификации объектов", "Правила выборки и организации информации", "Жизненный опыт", "Бытовые навыки и умения", "Профессиональные навыки и умения" и др.).

Пример.Увиденныйчеловекомконкретный компьютер ассоциируется с абстрактным понятием "Компьютер" (из долговременной памяти) – например со сведениями об этом устройстве – информационными кодами, которые определяют объект (связь, понятие). Коды связываются между собой, создавая образ конкретного компьютера.

В живом организме передача, хранение или обработка информации происходит с помощью биохимических реакций и сообщений – сигнальных молекулярных систем и их превращений за счет химических реакций катализа и разностей концентрации химических веществ. Разность потенциалов действий (электрические сигналы) проводят нервные волокна, с помощью центральной нервной системы. При этом используется и генная информация, которая передается от ДНК к РНК, от РНК – к белку, определяя новую белковую структуру, ее функции.

Второй важный тип исполнителей– конечныеавтоматы, автоматические (то есть функционирующие определенный промежуток времени без участиячеловека) устройства, вход, выход и состояния которых можно описать конечными последовательностями сообщений (слов над конечными алфавитами).

Любой конечный автоматреализует некий непустой класс алгоритмов и состоит из совокупностиуправляющего автомата, который определяет порядок выполнения действий, иоперационного автомата, реализующего сами действия, выполняемыеавтоматом.

Пример.Пример конечногоавтомата–автоматдля продажи газированной воды. Его функционирование можно описать, если ввести следующие множества и события:

X = {1, 3, Г, Ø} – входное множество,

Y = {В, С, О} – выходное множество,

S = {s0 , s1 , s2 , s3} – множество состояний,

1 – входной сигнал "опустить 1 руб.",

3 – входной сигнал "опустить 3 руб.",

Г – входной сигнал "опустить гнутую монету",

Ø– входной сигнал "монета не опущена",

В – выходной сигнал "выдача воды газированной без сиропа",

С – выходной сигнал "выдача газированной воды с сиропом",

О – выходной сигнал "отказ выдать воду",

s0 – первое состояние – "начальное состояние",

s1 – второе состояние – "обработка 1 руб.",

s2 – третье состояние – "обработка 3 руб.",

s3 – четвертое состояние – "состояние неисправности".

Компьютер можно рассматривать как совокупность взаимодействующих конечных автоматов. Рассмотрим такую структуру подробнее.

Память компьютера– последовательность ячеек памяти, то есть физических устройств, куда можно записывать или считывать последовательность битов, каждый из которых хранится в нужном разряде.

Пример.Запишем числа 13₁₀, в формате целых чисел в восьмиразрядную ячейку памяти запишется в виде (старший бит будет содержать бит знака числа, например, 1 – если число отрицательно и 0 – если число положительно). Учитывая, что 13₁₀ = 1101₂, получаем представление вида: 00001101.

Аналогичным образом представляются в памяти компьютераи вещественные числа: либо по частям (целая часть – отдельно, дробная – отдельно), либо в специальной, так называемой нормализованной форме, для которой хранится отдельно дробная часть (мантисса) и порядок – степень двойки, домножением на которую можно записать данное число.

Пример.Если десятичное число равно 5,25, то есть в двоичной форме – 101,01, то оно записывается в нормализованной форме: 0,10101 с порядком, равным в двоичном виде 101.

Команды, как и числа, размещаются (в битовом изображении) в специальных электронных устройствах – так называемых регистрах.

Регистр– электронное устройство, как и ячейка памяти, запоминающее и хранящее (временно) последовательность битов определенной длины.Регистрыреализуются более дорогими и чувствительными физическими устройствами и поэтому, по сравнению с основнойпамятью компьютера, регистровая память или так называемаякэш-память– невелика.

Пример.Для компьютера с памятью 512 мегабайт основной памяти может быть характерна регистровая память в 64 мегабайта.

Каждой команде ставится в соответствие операция, производится расшифровка кода этой операции, затем извлекаются операндыили числа, над которыми необходимо выполнить операцию. Далее выполняется операция с этими операндами, и результат операции помещается в соответствующую ячейку памяти.

Кроме оперативной памяти, компьютер имеет внешнюю память (ВЗУ)с большой емкостью, но с большим временем записи или считывания информации. Внешняя память реализуется с помощьювнешних носителейинформации: магнитных или оптических дисков.