54

Информатика изучает процессы преобразования информации с помощью вычислительной техники человека связана с обработкой различной информации. При этом наибольший успех имеет тот, кто и взаимодействия их со средой применения.

Любая деятельность может качественно обработать большой объем информации за приемлемое время и эффективно использовать информацию в своей деятельности. Естественно, что проблема создания различных средств и методов оперирования с информацией всегда привлекала внимание общества. Но качественный скачок произошел в конце 40-х годов в результате изобретения ЭВМ. Сейчас в некоторых развитых странах в сфере компьютерной обработки информации занято около половины трудоспособного населения, а вложенные сюда средства дают самую высокую прибыль.

Машины для вычислений могут быть цифровыми или аналоговыми. В цифровых машинах числа представляются в виде дискретных величин (например, напряжение - высокое/низкое), а в аналоговых в виде непрерывных. Уже в первой половине ХХ века во многих странах был налажен серийный выпуск счетно-перфорационных машин, в которых данные вводились с помощью перфокарт. Фирма IBM выпускала такие машины еще до войны и фактически являлась мировым лидером на этом рынке. Программа для таких машин набиралась на коммутационных дисках и могла содержать около 10 шагов.

В 40-х годах нашего века начались работы по созданию ЭВМ, причем почти одновременно в Великобритании, США и СССР. В США, еще в 1939 году, проф. Джон Атанасов (болгарин), со своим аспирантом К.Берри создал первый прототип. На основе этого прототипа планировалось к 1943 г. создать большую ЭВМ под названием "АВС" для решения системы линейных уравнений, но призыв Атанасова в американскую армию помешал этому. Вернувшись из армии после войны, Атанасов увидел, что более мощная ЭВМ ЭНИАК уже создана, и потерял интерес к этой теме.

В конце 40-х гг. XX в. работы в области ядерной физики, баллистики управляемых снарядов, аэродинамики и т.д. потребовали такой вычислительной работы, которую уже было невозможно выполнить с помощью арифмометров - основного вычислительного инструмента тех лет. Наука и техника были поставлены перед дилеммой: или всем сесть за арифмометры, или найти новый эффективный инструмент вычислений.

Что же касается первой действующей в мире ЭВМ, то она была построена в Великобритании в 1943г. Над ее созданием работал известный английский математик Алан Тьюринг, который был не только специалистом по теории информации и алгоритмов, но и талантливым инженером. Первая в мире ЭВМ "Колосс" была специализированной и использовалась для расшифровки секретных германских кодов. Благодаря "Колоссу" удалось предотвратить много атак германских подводных лодок на суда союзников.

В СССР первая ЭВМ была построена на 6 лет позже. Это была универсальная ЭВМ МЭСМ. Ее создал в 1950г. коллектив под руководством будущего академика С.А.Лебедева. В МЭСМ было использовано около 6000 эл. ламп, а ее быстродействие было 50 оп/с.

Следующая БЭСМ оказалась лучшей машиной в Европе, а м/б и мире.

Первой мини-ЭВМ была 12-разрядная PDP-5, созданная в 1963 г. и предназначенная для управления ядерным реактором. Наиболее хорошо зарекомендовала себя PDP-11.

Первая ПЭВМ была разработана во Франции в 1973г. Ее автор Труонг Тронг Ти. Первые экземпляры были восприняты как дорогостоящая экзотическая игрушка. Массовое производство и внедрение в практику ПЭВМ связывают с именем Стива Джобса, руководителя и основателя фирмы Apple computer, с 1977 г. наладившей выпуск ПК Apple.

Элементы технологии обработки информации с помощью эвм. Модели решения функциональных и вычислительных задач.

Следствием развития новых информационных технологий является чрезвычайно быстрое расширение области применения компьютеров для решения разнообразных задач, связанных с обработкой информации различного характера. Мы рассмотрим лишь три вида информации и, соответственно, три класса задач, для решения которых используется компьютер:

1. Вычислительные задачи, связанные с обработкой числовой информации.

2. Задачи по обработке символьной информации, связанные с созданием и редактированием текстов.

3. Задачи по обработке графической информации, т.е. схем, чертежей, графиков и т.д.

Процесс решения задач с использованием компьютера условно можно разбить на ряд этапов:

1. Постановка задачи ( описание результатов и необходимых исходных данных).

2. Построение модели ( описание соотношений между исходными данными и результатами).

3. Разработка или выбор готового метода решения задачи с помощью компьютера ( представление процесса определения решения в виде последовательности операций, которые пользователь может реализовать на компьютере).

4. Реализация метода на компьютере ( представление найденной последовательности операций в специальном виде и их выполнение).

5. Анализ полученных результатов (сравнение полученных результатов с предполагаемыми и, в случае расхождений, установление их причин).

В разных задачах трудоемкость отдельных этапов может быть различной. Примеры.

- вычислительная задача;

- обработка текста;

- обработка графической информации, схемы, графики, чертежи, графич. редакторы.

а), б) вне этого курса.

Алгоритм - это система правил, описывающая последовательность действий, которые необходимо выполнить, чтобы решить задачу. Понятие алгоритма в информатике является фундаментальным, таким, каким являются понятия точки, прямой и плоскости в геометрии, множества - в математике, пространства и времени - в физике, вещества - в химии. Разработанный алгоритм может исполнять как человек, так и техническое устройство ( например, компьютер, робот ), которое понимает правила записи алгоритма и умеет выполнять предписываемые ему действия. Придерживаясь алгоритма, исполнитель получит пригодный результат даже в том случае, когда он не понимает существа решаемой задачи.

Основные характеристики алгоритма.

Дискретность - означает, что выполнение алгоритма разбивается на последовательность законченных действий - шагов. Каждое действие должно быть завершено исполнителем, прежде, чем он перейдет к выполнению следующего. Значения величин на каждом шаге получаются по определенным правилам из значений величин, определенных на предшествующих шагах.

Определенность - означает, что каждое правило алгоритма настолько четко и однозначно, что значения величин, получаемые на каком-л. шаге, однозначно определяются значениями величин, полученными на предыдущем шаге, при этом точно известно, какой шаг будет выполнен следующим.

Результативность (конечность) алгоритма предполагает, что исполнение сводится к выполнению конечного числа действий и всегда приводит к некоторому результату.

Массовость - означает, что алгоритм разрабатывается в виде, пригодном в дальнейшем для использования в некотором классе однотипных задач. В этом свойстве заключена практическая ценность алгоритма.

Формы представления алгоритмов:

- словесное описание ( вербальная форма );

- построчная запись;

- блок-схема;

- запись на каком-л. языке программирования.

Рассмотрим особенности каждой формы на примере алгоритма Евклида (НОД).

Словесное описание имеет минимум ограничений и является наименее формализованным. Однако, при этом алгоритм получается и наименее строгим, допускающим неопределенности. Алгоритм в вербальной форме может оказаться очень объемным и трудным для восприятия человеком.

Например, если числа равны, НОД равен одному из них. В противном случае надо из большего вычесть меньшее, полученную разность запомнить вместо значения большего числа и повторить все сначала.

Построчная запись алгоритма. Это запись на естественном языке, но с соблюдением некоторых дополнительных правил.

1. Шаги (предписания) алгоритма нумеруются.

2. Исполнение алгоритма происходит в порядке возрастания номеров шагов, начиная с первого (если не встречается никаких специальных указаний).

3. Типичными шагами алгоритма являются:

- чтение (ввод) данных;

- обработка данных (вычисления) по формулам;

- сообщение ( вывод ) результата;

- проверка условия;

- переход к шагу с номером N;

- конец вычислений.

[1] чтение a, b

[2] если a=b, идти на [8]

[3] если a>b, идти на [6]

[4] b=b-a

[5] идти на [2]

[6] a=a-b

[7] идти на [2]

[8] НОД = a

[9] запись НОД

[10] останов

Построчная запись позволяет избежать неопределенностей, не требует специальных знаний, но не наглядна.

Блок-схемы ...

Запись алгоритма на языке программирования представляет собой форму изображения алгоритма в том случае, когда исполнителем алгоритма является компьютер. Языки программирования имеют более жесткие правила.

Основные типы алгоритмических структур. Их всего три: линейная, разветвляющаяся и циклическая.

Линейная структура предполагает однократное выполнение одной и той же последовательности шагов при любых наборах исходных данных. Для разветвляющейся структуры также характерно однократное выполнение последовательности шагов, однако состав этой последовательности определяется результатами проверки некоторых условий, т.е. зависит от обрабатываемой информации. Циклическая структура обеспечивает многократное выполнение одной и той же последовательности шагов тела цикла с модифицируемой (изменяемой) информацией. Несмотря на разнообразие решаемых задач по обработке информации, нередко оказывается, что алгоритмы решения многих из них распадаются не та или иные типовые задачи. Поэтому значение различных типовых алгоритмов, умение выявлять их внутри задач существенно облегчает процесс разработки алгоритмов: уменьшает вероятность появления ошибок, сокращает время на алгоритмизацию.

Языки программирования

Системы программирования, являющиеся инструментом разработки программ решения задач на ПЭВМ, в программном обеспечении представлены в виде средств преобразования программ пользователей с языка программирования во внутренний язык.

Языки программирования являются одним из средств общения пользователя с компьютером. Все они ( а их насчитывается более 1000 ) имеют сходство с естественным языком, а именно: так же, как и естественные языки базируются на некотором множестве допустимых символов (алфавите), из которых согласно синтаксическим правилам формируются слова ( лексические единицы ) и предложения языка ( операторы ). Совокупность операторов ( команд ), описывающих алгоритм решения задачи, называется программой. И все же языки программирования могут использоваться только для общения человека с компьютером, а не человека с человеком, так как они имеют чрезвычайно скудный запас слов. Обычно словарь языка программирования насчитывает не более 500 слов ( число допустимых в нем слов ). Синтаксические правила языка программирования допускают лишь однозначный способ построения предложений (операторов). Эти ограничения на язык налагает специальная программа, называемая транслятором, которая служит переводчиком с языка программирования на язык машинных команд.

Язык и транслятор с этого языка называют системой. Различают два типа систем: компилирующие и интерпретирующие.

Компилирующая (собирающая) система предназначена для обработки текстов программ, распадающихся на несколько самостоятельных частей. Она позволяет программисту строить свою программу из маленьких "кирпичиков" (операторов) и из больших блоков (подпрограмм), представляющих собой решения самостоятельных задач.

Интерпретация исходной программы проще и быстрее, чем компиляция в машинные коды. Однако, выполнение интерпретатором внутреннего представления программ за счет многократного обращения к подпрограммам осуществляется гораздо медленнее, чем выполнение машинных кодов, сгенерированных компилятором. Кроме того, интерпретирующая программа вместе с исходной программой должна постоянно находиться в памяти компьютера, занимая достаточно большой ее объем.

Пакеты прикладных программ (ППП) представляют собой некоторую интерактивную среду, погружаясь в которую пользователи получают удобные и простые средства выполнения определенных действий над информацией в диалоговом режиме. Основное назначение функциональных и интегрированных ППП - обеспечить замену бумажной технологии обработки информации электронной, сохраняя при этом наглядность бумажных носителей при представлении информации в виде текстов, таблиц, графиков и картотек.

Инструментальные языки и системы программирования - это особая категория программных средств. С их помощью создаются все другие программы. К категории инструментальных средств относятся не только трансляторы с языков высокого уровня, таких как Basic, Pascal или Fortran, но и ассемблеры, загрузчики, отладчики, другие системные программы. С помощью инструментальных средств создается и прикладное ПО, и новые средства системного программирования, включая трансляторы с языков высокого уровня. Следовательно, эта категория ПС совершенно аналогична средствам производства в промышленности - таким как станки, инструменты, средства переработки сырья в нужную форму. При этом роль сырья играет информация - текстовые и числовые данные, закодированные сообщения, графические изображения.

Критерии выбора языка программирования:

- назначение разрабатываемой программы - нужна ли она временно или будет использоваться постоянно, планируется ее передача другим организациям;

- требуемая скорость работы программы, соотношение ее диалоговых и вычислительных компонентов;

- ожидаемый размер программы;

- необходимость сопряжения разрабатываемой программы с другими пакетами или программами;

- характер и уровень использования аппаратных средств;

- возможность и целесообразность использования имеющихся стандартных библиотек и подпрограмм, процедур, функций.