Лекция 1: Общие сведения о программном обеспечении

Сознательное сокращение той или иной мышцы обеспечивает пирамидная система. Но, выполняя то или иное произвольное движение, человек не задумывается над тем, какие мышцы необходимо сократить в нужный момент. Привычные движения, требующие согласованного действия многих мышц, выполняются автоматически, незаметно для внимания, а смена одних мышечных сокращений другими является невольной. Самыми совершенными являются автоматизированные движения. Они энергетически скупые, оптимальные по объему, времени, затратам энергии. Последовательность, продолжительность мышечных сокращений, совершенство движений обеспечивает экстрапирамидная система, которая, по сравнению с пирамидной, является старейшим в филогенетическом отношении моторно-тоническим аппаратом. Экстрапирамидная система создает предпосылки для выполнения двигательных реакций, фон, на котором производятся быстрые, точные, дифференцированные движения, готовит мышцы к действию, обеспечивает соответствующее распределение тонуса между разными группами мышц, необходимое для выполнения движений любой сложности. Экстрапирамидная система принимает непосредственное участие в создании определенной позы человека, двигательных проявлений эмоций, создает индивидуальное выражение человеческих движений. Она обеспечивает выполнение автоматизированных, заученных двигательных стереотипных актов, а также безусловно-рефлекторных защитных движений (рис. 3).

Рис. 3. Схема экстрапирамидной системы: 1 - кора большого мозга, 2 - хвостатое ядро, 3 - скорлупа; 4 - бледный шар; 5 - таламус, 6 - боковое ядро; 7 – ретикулярная формация; 8 - покрышка среднего мозга; 9 - ядро Даркшевича (медиального продольного пучка); 10 - черное вещество; 11 - красное ядро; 12 - субталамического ядро; 13 - нисходящие стволово-спинномозговые пути

К экстрапирамидной системе относятся многочисленные клеточные структуры, расположенные в головном и спинном мозге, а также их афферентные и эфферентные пути.

В экстрапирамидной системе можно выделить четыре уровня (рис. 3):
• корковые образования - премоторные зоны полушарий большого мозга;
• подкорковые (базальные) ядра: хвостатое и чечевицеобразные ядра, состоящие из скорлупы, латерального и медиального бледного шара;
• основные стволовые образования: черное вещество, красные ядра, ретикулярная формация, субталамическое ядро, ядра медиального продольного пучка (Даркшевича), вестибулярные ядра, покрышка среднего мозга;
• спинальный уровень представлен тесно связанными друг с другом нисходящими проводящими путями, которые заканчиваются у клеток передних рогов спинного мозга. Далее экстрапирамидные влияния идут к мышцам через систему альфа- и гамма-мотонейронов.

В эволюционном плане по морфологическим и функциональным особенностям экстрапирамидную систему делят на две части: неостриарную и палеостриарную (или палидонигральную). К неостриарной системе (неостриатум) относятся: корковые структуры, хвостатое ядро и скорлупа. К палеостриарной системе относятся: латеральный и медиальный бледный шар, черное вещество, субталамическое ядро, ядро медиального продольного пучка, вестибулярные ядра, покрышка среднего мозга и некоторые другие структуры. Неостриарную и палеостриарную системы, которые функционируют согласованно, уравновешивают друг друга, условно объединяют понятием стриопаллидарная система. Неостриарная система является более молодой, чем палеостриарная, как в филогенетическом, так и в онтогенетическом отношениях, считается высшим подкорковым регуляторно-координационным центром организации движений, мощным тормозным регулятором моторной системы. Она тормозит палеостриарную систему, которая активирует двигательную функцию.

Подкорковые ядра являются ведущими структурами экстрапирамидной системы. Они имеют большое количество связей с другими отделами нервной системы, которые обеспечивают включение экстрапирамидных аппаратов в систему произвольных движений. Афферентные волокна несут информацию от таламуса, мозжечка, ретикулярной формации. К неостриарной системе поступают афферентные связи от многих отделов коры большого мозга, особенно от двигательных зон лобной доли. Нисходящие импульсы от экстрапирамидной системы через структуры среднего и продолговатого мозга (красные, вестибулярные ядра, ретикулярную формацию, двигательные ядра черепных нервов) поступают в сегментарные аппараты, координируя тонус и двигательную активность мышц. Функции экстрапирамидной системы осуществляются благодаря наличию и ее структурах нейротрансмиттеров. В черном веществе содержатся нейроны, вырабатывающие дофамин, который формируется здесь в гранулы. Последний по допаминергическому нигростриарному пути попадает в хвостатое ядро, где высвобождается в синоптических аппаратах. Дофамин тормозит функцию хвостатого ядра, блокируя выработку стриарными холинергическими нейронами медиатора возбуждения ацетилхолина. Таким образом, дофамин уменьшает тормозное влияние хвостатого ядра на моторику. Дофамин поступает и в лимбические структуры, гипоталамус и лобную долю головного мозга, обеспечивая контроль за настроением, поведением, началом двигательных актов. Уменьшение его содержания в этих структурах приводит к усилению тормозных влияний хвостатого ядра на двигательную активность с возникновением гипо - или акинезии, эмоциональных расстройств.

Кроме того, в хвостатом ядре производится тормозной медиатор гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), которая по гамкергическому стрионигральному пути передается на черную вещество и контролирует синтез дофамина. В структурах экстрапирамидной системы есть и другие нейротрансмиттеры - норадреналин, серотонин, глутаминовая кислота, нейропептиды. Функция всех медиаторных систем в норме сбалансирована, между ними существует равновесие. В случае ее нарушения возникают различные патологические клинические синдромы. Поражение черного вещества и дегенерация нигростриарного пути приводит к уменьшению синтеза и количества дофамина, что клинически проявляется картиной гипертонического -гипокинетического синдрома, или паркинсонизма.

Такое название синдрома происходит от имени английского врача Джеймса Паркинсона, который в 1817 г. описал наследственную болезнь с ригидностью мышц, акинезией и тремором, которая в дальнейшем получила название болезни Паркинсона. Подобная симптоматика возникает также вследствие черепно-мозговой травмы, отравления угарным газом, марганцем, после перенесенного летаргического энцефалита и по другим причинам. В таком случае ее называют паркинсонизмом, добавляя этиологию (токсичный, посттравматический т.д.).

При наличии паркинсонизма уменьшается действие дофамина на хвостатое ядро, которое вследствие нарастания холинергической активности растормаживается и усиливает свое тормозящее влияние на моторную деятельность. Возникают гипокинезия, ригидность мышц и статический тремор. Гипокинезия или акинезия (бедность движений) проявляются совокупностью симптомов - гипомимией, редким миганием, монотонностью речи (брадилалия), микрографией, исчезновением содружественных движений, особенно в верхних конечностях при ходьбе (ахейрокинез), снижением общей двигательной активности, инициативы движения, нарушением процесса включения в движение. Больные при движении будто замирают, не могут сразу начать шествие, топчутся на месте. Походка замедленная, мелкими шажками, шаркающая, со склонностью к ускорению. Во время даижения вперед больной не может внезапно остановиться. В таком случае туловище якобы опережает нижние конечности, нарушается равновесие, и больной может упасть. Такое явление носит название пропульсия. Также больной не может внезапно остановиться во время шествия назад (ретропульсия) или вбок (латеропульсия).

Ригидность мышц, возникающая в случае паркинсонизма, характеризуется повышением мышечного тонуса равномерно во всех группах мышц, по типу воскообразной или пластической ригидности. При пассивных движениях в конечностях наблюдается иногда своеобразная прерывистость, ступенчатость растяжения мышц, которая получила название симптома «зубчатого колеса». Общая скованность, повышение мышечного тонуса обусловливают характерную позу больного: голова наклонена кпереди, туловище сгорбленно, руки согнуты в локтевых суставах (поза просителя).

Дрожание имеет мелко-ритмичный характер с частотой 4-5 колебаний в 1 с, возникает в состоянии покоя, усиливается в случае волнения, уменьшается или исчезает во время сна и произвольных движений. Сначала дрожание возникает в кисти одной руки (типа «счета монет» или «катание таблеток», «флексия-экстензия» пальцев). По мере прогрессирования болезни оно распространяется по гемитипу, охватывает голову (типа «да-да») или приобретает генерализованный характер. Часто возникают вегетативные расстройства в виде повышенного слюноотделения, сальности кожи, избыточной потливости, задержки опорожнения кишечника. У большинства больных наблюдаются нарушения психики типа безынициативности, вялости, характерна своеобразная вязкость, назойливость, склонность к повторению одних и тех же вопросов, депрессия, на поздних стадиях болезни может возникать деменция (слабоумие).

Иногда у больных паркинсонизмом проявляются парадоксальные кинезии, когда они временно благодаря непродолжительному снижению мышечного тонуса могут быстро выполнять произвольные движения (танцевать, кататься на коньках и т.д.). Такой феномен, который еще не нашел окончательного объяснения, может наблюдаться после пробуждения, во время стрессовых ситуаций. Для больных паркинсонизмом характерно возникновение так называемой фиксационной ригидности, что приводит к усилению тонических постуральных рефлексов (рефлексов положения). Суть их заключается в том, что нарушается возврат в исходную позицию части тела после произведенного движения. Так, вследствие повышения пластического тонуса в мышцах шеи и проксимальных отделах верхних конечностей, приподнятая врачом голова больного, лежащего на спине, будто застывает в таком положении, затем медленно опускается (симптом воздушной подушки). Пассивно согнутая в коленном суставе нижняя конечность больного, лежащего на животе, остается в таком положении и после прекращения раздражения, и медленно опускается. После резкого пассивного тыльного сгибания стопы она некоторое время сохраняет это положение.

Для выявления скрытой экстрапирамидной мышечной гипертонии используют пробу Нойка-Ганева. При проверке мышечного тонуса в верхней конечности путем пассивных движений в локтевом суставе предлагают больному поднять ногу. Одновременное поднятие нижней конечности вызывает повышение тонуса в мышцах верхней конечности.
Коррекцию медиаторных сдвигов при наличии паркинсонизма проводят с использованием антихолинергических препаратов (циклодол, паркопан, амизил) и средств, стимулирующих дофаминергические передачу (леводопа, синемет, наком, мадопар, парлодел, юмекс, мидантан, симетрел и др.).

Лекция 1: Общие сведения о программном обеспечении

Основные понятия и определения

Основной компонент ПО – программа – упорядоченная в соответствии с некоторым алгоритмом последовательность команд (инструкций) компьютера для решения задачи пользователя. Чаще всего образ программы хранится в виде исполняемого модуля (отдельного файла или группы файлов).

Пользователь – лицо, заинтересованное в решении некоторой задачи средствами вычислительной техники. По отношению к программному обеспечению компьютерные пользователи делятся на следующие группы [3]:

• системные программисты, занимающиеся разработкой, эксплуатацией и сопровождением системного программного обеспечения (см. ниже);
• прикладные программисты. Выполняют разработку и отладку программ решения задач из различных прикладных сфер деятельности пользователей;
• конечные пользователи. Используют прикладное программное обеспечение для решения задач в своей повседневной деятельности. Различаются по уровню своей подготовки в части знания и использования компьютерной техники;
• администраторы. Как правило, это высококвалифицированные компьютерные специалисты, отвечающие за работу вычислительной сети, баз данных, корпоративной информационной системы в целом, безопасность и защиту данных. Могут иметь определенную специализацию: управление сетевым каталогом, политикой учетных записей, политикой аудита и т.п.

Задача (problem, task) – проблема, подлежащая решению в интересах пользователя.

Термин "задача" в программировании означает единицу работы вычислительной системы, требующую выделения вычислительных ресурсов (процессорного времени, оперативной и внешней памяти, файлов и т.п.).

Приложение (application) – программная реализация решения задачи на компьютере. Приложение может состоять из одной или нескольких взаимосвязанных и взаимодействующих программ.

Принято (весьма условно) делить программы на небольшие (простые), средней сложности и большие [5].

Программа считается небольшой как по размерам, так и по другим признакам, если она удовлетворяет следующим признакам:

1. решает одну четко поставленную задачу в хорошо известных ограничениях, к тому же, не очень существенную для какой-либо практической или исследовательской деятельности;
2. неважно, насколько быстро она работает;
3. ущерб от неправильной работы программы – практически нулевой (за исключением возможности обрушения ею системы, в которой выполняются и другие, более важные задачи);
4. не требуется дополнять программу новыми возможностями, практически никому не нужно разрабатывать ее новые версии или исправлять найденные ошибки;
5. в связи со сказанным выше не очень нужно прилагать к программе подробную и понятную документацию – для человека, который ею заинтересуется, не составит большого труда понять, как ею пользоваться, просто по исходному коду.

Сложные, или большие, программы, называемые также программными системами, программными комплексами, программными продуктами, отличаются от небольших не столько по размерам (хотя обычно они значительно больше), сколько наличием дополнительных факторов. Эти факторы связаны с их востребованностью и готовностью пользователей платить деньги, как за приобретение самой программы, так и за ее сопровождение и даже за специальное обучение работе с ней.

Обычно сложная программа обладает следующими свойствами [10]:

1. программа решает одну или несколько связанных задач, зачастую сначала не имеющих четкой постановки, настолько важных для каких-либо лиц или организаций, что те приобретают значимые выгоды от ее использования;
2. существенно, чтобы программа была удобной в использовании. В частности, она должна включать достаточно полную и понятную пользователям документацию, возможно, также специальную документацию для администраторов, а также набор документов для обучения работе с программой;
3. низкая производительность программы на реальных данных приводит к значимым потерям для пользователей;
4. неправильная работа программы наносит ощутимый ущерб пользователям и другим организациям и лицам, даже если сбои происходят не слишком часто;
5. для выполнения своих задач программа должна взаимодействовать с другими программами и программно-аппаратными системами и обеспечивать работу на разных платформах;
6. пользователи, работающие с программой, приобретают дополнительные выгоды от того, что программа развивается, в нее вносятся новые функции и устраняются ошибки. Необходимо наличие проектной документации, позволяющей развивать ее, возможно, вовсе не тем разработчикам, которые ее создавали, без больших затрат на обратную разработку (реинжиниринг);
7. в разработку программы вовлечено значительное количество людей (более 5-ти человек). Большую программу практически невозможно написать с первой попытки, с небольшими усилиями и в одиночку;
8. большая программа имеет намного большее количество ее возможных пользователей по сравнению с небольшими программами, и еще больше тех лиц, деятельность которых будет так или иначе затронута ее работой и результатами.

Примером большой программы может служить стандартная библиотека классов Java или C#, соответствующих систем программирования.

Строго говоря, ни одно из указанных свойств не является обязательным для того, чтобы программу можно было считать большой, но при наличии двух-трех из них достаточно уверенно можно утверждать, что она большая. На основании некоторых из перечисленных свойств можно сделать вывод, что большая программа или программная система чаще всего представляет собой не просто код или исполняемый файл, а включает еще и набор проектной и пользовательской документации.

Процесс создания программ можно представить как последовательность следующих действий:

1. постановка задачи;
2. алгоритмизация решения задачи;
3. программирование.

Постановка задачи (problem definition) – это точная формулировка требований (функциональных и нефункциональных), предъявляемых к работе программы, с описанием входной и выходной информации, и, возможно, описание подходов к решению задачи.

Алгоритм – точный набор инструкций, описывающих порядок действий исполнителя (компьютера), от допустимых исходных данных для достижения результата решения задачи за конечное время. В старой трактовке вместо слова "порядок" использовалось слово "последовательность", но по мере развития параллельности в работе компьютеров слово "последовательность" стали заменять более общим словом "порядок". Это связано с тем, что работа каких-то инструкций алгоритма может быть зависима от других инструкций или результатов их работы. Таким образом, некоторые инструкции должны выполняться строго после завершения работы инструкций, от которых они зависят. Независимые инструкции или инструкции, ставшими независимыми из-за завершения работы инструкций, от которых они зависят, могут выполняться в произвольном порядке, параллельно или одновременно, если это позволяют используемые процессор и операционная система.

Программирование (programming) – теоретическая и практическая деятельность, связанная с созданием программ.

Разработка программных систем (ПС), т.е. программирование, имеет ряд специфических особенностей. Прежде всего, следует отметить некоторое противостояние: неформальный характер требований к ПС (постановки задачи) и понятия ошибки в нем, но формализованный основной объект разработки – программы ПС. Тем самым разработка ПС содержит определенные этапы формализации, а переход от неформального к формальному существенно неформален.

Разработка ПС носит творческий характер (на каждом шаге приходится делать какой-либо выбор, принимать какое-либо решение), а не сводится к выполнению некоей последовательности регламентированных действий. Тем самым эта разработка ближе к процессу проектирования сложных устройств, но никак не к их массовому производству. Этот творческий характер разработки ПС сохраняется до самого ее конца.

Следует отметить также особенность продукта разработки. Он представляет собой некоторую совокупность текстов (т.е. статических объектов), смысл же (семантика) этих текстов выражается процессами обработки данных и действиями пользователей, запускающих эти процессы (т.е. является динамическим). Это предопределяет выбор разработчиком ряда специфичных приемов, методов и средств. Продукт разработки имеет и другую специфическую особенность: ПС при своем использовании (эксплуатации) не расходуется и не расходует используемых ресурсов.