Подготовка задач для решения на ПК

Запоминающее устройство (память);

Устройство управления, организующее выполнение программы вычислений (УУ);

Арифметическо-логическое устройство, выполняющее соответствующие операции (АЛУ);

4. внешние устройства, обеспечивающие ввод и вывод информации (ВУ).

Рис.1. Схема компьютера

 

Памятькомпьютера состоит из большого количества пронумерованных, т.е. имеющих адреса, ячеек. В каждой из них находятся обрабатываемые данные или инструкции по реализации процедур обработки. Наличие адресов обеспечивает доступ к содержимому каждой ячейки.

В начале работы с внешнего устройства или из внутренней памяти вводится программа. Управляющее устройство УУсчитывает содержимоеячейки памяти, в которой находится первая команда программы, и организует её выполнение. Далее последовательно выполняются команды из очередных ячеек памяти. В случае необходимости этот порядок м.б. изменён с помощью команд передачи управления в зависимости от выполнения тех или других условий. Таким образом, УУ выполняет инструкции программы автоматически и обменивается информацией с памятью и внешними устройствами до завершения работы данной программы.

В современных ПК АЛУ и УУ объединены в единое устройство – центральный процессор ЦП.

Информация в ПК может существовать только в цифровой форме. При этом любой элемент информации – буквы, цифры, математические знаки и символы – кодируются в цифровые символы, понятные ПК. Наиболее удобной формой кодировки оказалась двоичнаяпозиционная система счисления, имеющая только два символа 0 и 1. Это свойство позволяет использовать для хранения и обработки цифровой информации простейшие двухпозиционные устройства, носившие в лампово-транзисторной электронике название «триггер». Перевод из стандартной десятичной системы в двоичный код и обратно в современных ПК осуществляется автоматически в устройствах ввода-вывода. Аналогично кодируются буквы разных алфавитов, математические и другие символы.

Единицей информации при этом считается 1 бит – двоичный разряд, принимающий значения 0 или 1. Однако это слишком маленькая величина, так что применяется более удобная – 1 байт = восьми последовательным битам, расположенным в восьмиразрядной позиционной цепочке

1 0 0 1 1 0 1 0. Каждая позиция справа налево соответствует 2ⁿ, где n– номера позиций (от 0 до 7). Данное число равно

2⁷ +0+0+2⁴+2³+0+2+0=128+16+8+2=154. В каждом байте можно закодировать значение одного символа из 255 (2⁸-1). Однако и байт – недостаточно крупная величина для оценки памяти современных ПК, поэтому используются следующие единицы:

1 КБ (килобайт) = 2¹⁰ Б = 1024 Б

1 МБ (мегабайт) = 2¹⁰ КБ = 1024 КБ

1 ГБ (гигабайт) = 2¹⁰ МБ = 1024 МБ

В десятичной системе приближённо 1 ГБ = 10³ МБ = 10⁶ КБ= 10⁹ Б. Если принять, что на одной странице печатного текста помещается около 2500 знаков, то 1 МБ содержит 400 страниц, а 1 ГБ – 400 000 страниц печатного текста.

Программирование компьютеровна первых этапах производилось с помощью машинных кодов, когда программист должен был помнить адреса ячеек и имена символов в каждой из них. Эта шифровальная работа была чрезвычайно медленной и малоэффективной. Затем появились системы мнемонических команд, называемых автокодом или языком ассемблера. Однако и в этом случае избежать ошибок было невозможно, а скорость программирования оставляла желать лучшего. Все эти недостатки привели к необходимости создания языков высокого уровня. Их основное достоинство состоит в максимальном приближении к обычному языку и математическим правилам, что позволяет освоить программирование не только специально обученным людям, но и непосредственно пользователю. Кроме того, языки могут быть реализованы на любом ПК. Наиболее важным отличием одного языка высокого уровня от других является ориентирование его на определённый класс задач, т.е. каждый из языков должен применяться там, где он обеспечивает большую точность и скорость решения.

Техническая реализация современных ПК стала возможной с появлением интегральных схем, в которых на небольшой пластине расположено большое количество созданных на молекулярном уровне устройств. В итоге были разработаны микропроцессоры,представляющие электронный блок размером 2х1 см, способный заменить весь центральный процессор большой ЭВМ. Основными разработчиками ПК и программного обеспечения были фирмы MICROSOFT и IBM. При этом разработанный стандарт IBM PC обеспечивает совместимость всех ПК.

Главным достоинством ПК является принцип открытой архитектуры, позволяющий по принципу конструктора изменять структуру и элементы ПК. На основной системной плате размещены блоки, осуществляющие обработку информации. На отдельных платах – контроллерах, оснащённых стандартными разъёмами, установлены схемы управления основными устройствами: клавиатурой, монитором, дисководами, принтером и т.д. Всё это заключается в единый корпус – системный блок.В нём также расположен блок питания и накопители (дисководы) как системного (жёсткого) диска, так и гибких дискет и CD, а также модем для связи с сетью.В качестве внешних устройств ввода-вывода используются клавиатура, монитор, принтер. Важнейшими характеристиками ПК являются тактовая частота процессора, определяющая быстродействие, и объём оперативной памяти диска. В случае если эти параметры не обеспечивают решение задачи, можно использовать несколько ПК, связанных в единую сеть.

 

Подготовка задачи для решения на ПК основана на принципах компьютерной информатики (рис.2)

 

 

Рис.2. Система компьютерной информатики

 

Под задачейв вычислительной технике понимается совокупность указаний о том, что является исходными данными, какие выполнить действия, какие и в каком виде нужно получить результаты. Для решения задачи необходимо выполнить ряд подготовительных этапов. Первая часть решения задачи включает три этапа алгоритмизации.

На первом этапе осуществляется общий подход к решению и разбиение сложной задачи на ряд подзадач. Эта работа выполняется специалистом той области, к которой относится данная задача, и называется постановкой задачи.

На втором этапе проводится формализация задачи, т.е. переход от содержательного описания к формализации задачи на математическом языке. В результате формируется математическая модель,представляющая упорядоченный набор формул. Здесь необходимо выбрать критерии, по которым оцениваются результаты вычислений. При этом следует учитывать, что математические операции выполняются с погрешностями, вызванными ограничением числа разрядов для представления математических величин, да и сами методы вычислений тоже часто являются приближёнными.

Третий этап представляет собой разработку алгоритма, в результате чего по полученной модели составляется совокупность последовательных процедур, обеспечивающих получение результата. Эта последовательность является руководством к решению любой задачи данного класса. Разработка алгоритма является творческим процессом, поэтому для решения задачи может быть предложено несколько алгоритмов.

Вторая часть решения задачи – программирование на алгоритмическом языке- также состоит из трёх этапов.

Первыйэтап– программирование –запись алгоритма решениязадачи на выбранном языке. Это позволяет ввести алгоритм в память ПК.

Второйэтап – трансляция –это преобразование программы с алгоритмического языка на язык компьютера. Трансляция осуществляется компьютером с помощью встроенных программ-трансляторов, определяющих адреса ячеек для размещения данных и преобразующих операторы алгоритмического языка в машинные командные коды. Существует два типа трансляторов – компиляторы, транслирующие весь текст программы, и интерпретаторы, преобразующие и немедленно выполняющие совокупность машинных команд. В этом случае интерпретатор должен располагаться в оперативной памяти ПК (ОЗУ).

Третийэтап –отладка программы – заключается в проверке её работоспособности путём решения контрольной задачи с заранее вычисленным результатом. Здесь исправляются все ошибки, допущенные на предыдущих этапах, и проводится оптимизация программы.

Результатом подготовки задачи является документация в электронном или бумажном виде.