Средства и методы обработки информации

Определение. Вычислительная машина – это комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации, подготовки и решения задач пользователей.

В вычислительных машинах информация представляется с помощью электрических сигналов в двух возможных формах:

· в виде одного сигнала – например, электрического напряжения, которое сравнимо с некоторой величиной в определенном масштабе. Так,приХ = 320 единицам на вход вычислительного устройства можно подать напряжение 3.2 В (масштаб представления 0.01 В/ед.);

· в виде нескольких сигналов – нескольких импульсов напряжений, кодирующих некоторую величину.

Первая форма представления информации называется аналоговой. Величины, представленные в такой форме, могут принимать принципиально любые значения в определенном диапазоне. Количество значений такой величины бесконечно.

Вторая форма представления информации называется дискретной с помощью набора напряжений, каждое из которых соответствует одной из цифр представляемой величины. В отличие от непрерывной величины количество значений дискретной величины всегда будет конечным.

В зависимости от формы представления данных различают аналоговые, цифровые и гибридные вычислительные машины.

Аналоговые вычислительные (АВМ) машины моделируют процесс вычислений. Например, для моделирования операции сложения двух чисел z=x+y можно использовать схему, выходное напряжение U_z которой представляет собой сумму двух входных напряжений.

    Рис. 4.2

Для исследования математических моделей используют АВМ, представляющие собой совокупность соединенных определенным образом так называемых решающих блоков,

Подготовка задачи для решения на АВМ, т.е. программирование включает

два этапа:

· соединение (коммутация) решающих блоков в соответствии с задачей;

· расчет масштабов физических величин и времени (пояснить, возможны задержки сигнала).

Достоинствами АВМ являются:

· высокое быстродействие, обусловленное тем, что вычислительный процесс разворачивается в пространстве, т.е. все решающие блоки работают параллельно. Процесс можно развернуть и во времени, возлагая на одни и те же устройства различные преобразования (последовательно во времени), сократив число преобразующих устройств. Однако при этом потребуется запоминать промежуточные результаты. Но запоминание большого количества физических величин без искажения их количественных характеристик связано с весьма серьезными техническими трудностями;

· простота программирования, которое сводится к соединению решающих блоков в соответствии с алгоритмом.

К недостаткам АВМ относят:

· ручную коммутацию решающих блоков (программирование), связанную с реализацией алгоритма. В настоящее время существуют образцы АВМ с автоматической коммутацией блоков;

· низкую точность решения задач, обусловленную тем, что количественное соответствие между числом и моделирующей его физической величиной удается выдержать с ограниченной точностью. Кроме того, каждый решающий блок вносит свою погрешность, т.е. точность решения задачи на АВМ прямо связана с точностью решающих блоков и их количеством в цепочке. Точность современных АВМ составляет сотые доли процента.

Эти машины предназначены в основном для решения задач, описываемых системами дифференциальных уравнений: исследования поведения подвижных объектов, моделирования процессов и систем, оптимального управления.

Задачи, связанные с хранением и обработкой больших объемов информации, решаются цифровыми электронными вычислительными машинами (ЭВМ) или компьютерами.

ЭВМ – это система по обработке информации, состоящая из:

· аппаратных средств (электронных и электромеханических устройств);

· программных средств;

· документации, то есть методов использования.

Структура вычислительной системы допускает деление ее на уровни, самыми низкими из которых являются аппаратные или технические средства – то есть интегральные логические схемы из которых состоит машина.

Следующий уровень – архитектура, т.е. соединение и способ взаимодействие элементов. На этом уровне элементами структуры являются память, процессор, устройство ввода-вывода и т.п..

Самый высокий и самый существенный уровень – программное обеспечение, управляющее работой ЭВМ (процессор изнутри тоже управляется программой (микрокодом), пояснить).

Исходные данные задачи, являющиеся конкретной реализацией информации, обрабатываются на ЭВМ и преобразуются в результат на основе заданного алгоритма – программы (рисунок схематичное изображение ЭВМ)

ЭВМ выполняет программу автоматически, без вмешательства человека. Достоинствами ЭВМ являются универсальность и неограниченная точность. На ЭВМ может быть решена любая задача, алгоритм которой известен, и в этом смысле она является универсальным средством обработки информации.

В ЭВМ любые математические величины представляются в числовой форме. Точность данных в ЭВМ определяется числом разрядов и их представлением.

В ЭВМ, ориентированных на решение узкого класса задач то есть специализированных ЭВМ, программу обычно записывается в ПЗУ, хранящее информацию при отключении питания, либо реализована аппаратно (построена решающая схема). В последнем случае повышаются надёжность и быстродействие ЭВМ. Такой подход используют во многих видах бортовой ВТ, работающей в режиме реального времени.

В качестве характеристик производительности ЭВМ обычно указывают тактовую частоту микропроцессора (что не очень правильно) либо производительность:

· МИПС (MIPS) – миллион операций в секунду над числами с фиксированной точкой;

· МФЛОПС (MFLOPS) ‑ миллион операций в секунду над числами с плавающей точкой;

· ГФЛОПС (GFLOPS) ‑ миллиард операций в секунду над числами с плавающей точкой.

Однако производительность компьютера определяется не только характеристиками микропроцессора, но и емкостью оперативной памяти, типами периферийных устройств, качеством конструктивных решений и др.

Микрокомпьютеры – это компактные обычно специализированные ЭВМ.

Разновидностью микрокомпьютера является микроконтроллер – специализированное устройство, основанное на микропроцессоре и встраиваемое в систему управления или технологическую линию.

Персональные компьютеры – это небольшие компьютеры универсального назначения, рассчитанные на одного пользователя.

Мэйнфреймы – это машины высокой производительности, максимальный объем оперативной памяти которых достигает на современном уровне 342 терабайт.

Суперкомпьютеры (СуперЭВМ) – высокопроизводительные, сверхбыстродействующие ЭВМ создаются в виде многопроцессорных вычислительных систем.

Дата добавления: 2014-01-11