Безударные принтеры. 2 страница

§ количество пользователей, одновременно обслуживаемых системой (однопользовательские и многопользовательские);

§ число одновременно выполняемых процессов (однозадачные и многозадачные);

§ тип используемой вычислительной системы (однопроцессорные, многопроцессорные, сетевые, распределённые).

Пример. Операционная система Windows98 является многозадачной, ОС Linux – многопользовательской, MS-DOS однозадачной и, следовательно, однопользовательской. Операционные системы Windows NT и Linux могут поддерживать многопроцессорные ЭВМ с 16 процессорами. Операционная система Novell NetWare является сетевой, однако, встроенные сетевые средства имеют также Windows NT и Linux.

Пользовательский и программный интерфейсы

Для упрощения доступа к ресурсам ЭВМ операционные системы поддерживают пользовательский и программный интерфейсы.

Пользовательский интерфейс [user interface] – это набор команд и сервисных услуг, которые упрощают пользователю работу с ЭВМ.

Программный интерфейс [program interface] – это набор процедур, которые упрощают для программиста управление ЭВМ.

Пример. Операционная система Windows98 предоставляет пользователю графический интерфейс, который представляет собой (с точки зрения пользователя) набор правил для наглядного управления ЭВМ. Кроме графического интерфейса пользователю предоставляется также командный интерфейс, то есть набор команд определённого формата. Для этого в системном меню имеется пункт «Выполнить». Например, чтобы скопировать файл на дискету, нужно набрать:

copy file a:\.

Основной упор в Windows98 сделан на графическом интерфейсе. В операционной системе Linux также имеются две возможности для управления ЭВМ, но, как правило, предпочтение отдаётся командам.

Набор системных функций в Windows98 носит название API (Application Programming Interface). В этом наборе имеются более тысячи процедур для решения разных системных задач. Например, если в программе на языке Си написать

MessageBox (wnd, “Форматирование винчестера, вы уверены?”,” ”, MB_OK);

то, дойдя до этого места, программа высветит небольшое окно с данным сообщением и кнопкой ОК, и будет ожидать нажатия этой кнопки.

Процессорное время и организация памяти

Для организации многозадачного режима операционная система должна некоторым образом распределять время работы процессора между одновременно работающими программами. Обычно используется так называемый вытесняющий режим многозадачной работы. При вытесняющем режиме каждая программа непрерывно работает в течение строго определённого промежутка времени кванта времени, по истечении которого процессор переключается на другую программу. Так как квант времени очень небольшой, то при достаточной производительности процессора создаётся иллюзия одновременной работы всех программ.

Одной из главных задач операционной системы является управление памятью. Когда основной памяти не хватает, все данные, которые не используются в данный момент, записываются в особый файл подкачки. Память, представленная файлом подкачки, называется внешней страничной памятью [external page storage]. Совокупность основной и внешней страничной памяти называется виртуальной памятью [virtual memory]. Однако для программиста виртуальная память выглядит как единое целое, то есть рассматривается как неупорядоченный набор байтов. В этом случае говорят, что используется линейная адресация памяти.

Пример. Операционные системы Windows98 и Linux используют линейную адресацию виртуальной памяти. В операционной системе MS-DOS использовалась нелинейная адресация основной памяти. Основная память имела сложную структуру, которую приходилось учитывать при программировании. Файлы подкачки системой MS-DOS не поддерживались.

Структура операционной системы

Современные операционные системы, как правило, имеют многоуровневое строение (см. рис. 3).

Непосредственно с аппаратурой работает ядро операционной системы. Ядро [kernel] – это программа или совокупность связанных программ, которые используют аппаратные особенности ЭВМ. Таким образом, ядро является машинно-зависимой частью операционной системы.

Ядро определяет программный интерфейс. На втором уровне находятся стандартные программы операционной системы и оболочка, которые работают с ядром и предоставляют пользовательский интерфейс. Программы второго уровня стараются делать машинно-независимыми. Свойство программы, позволяющее переносить её без переделок с одной ЭВМ на другую, называется переносимостью [portability]. Если программа является машинно-зависимой, то её переносимость определяется степенью совместимости ЭВМ. Переносимость программ имеет прямое влияние на коммерческие возможности программных продуктов. В идеале замена ядра равнозначна замене версии операционной системы.

Защита информации

Защита информации – это очень большая проблема. В рамках работы операционной системы под защитой информации подразумевается в основном обеспечение целостности информации и защита от несанкционированного доступа. Обеспечение целостности возлагается в основном на файловую систему, а защита от несанкционированного доступа – на ядро. Обычным механизмом такой защиты является использование паролей и уровней привилегий. Для каждого пользователя определяются границы доступа к файлам и приоритетность его программ. Наивысший приоритет имеет системный администратор.

Сетевые средства и распределённые системы

Составной частью современных операционных систем являются средства, которые позволяют связываться через вычислительную сеть с приложениями, работающими на других ЭВМ. Для этого операционная система решает в основном две задачи: обеспечение доступа к файлам на удалённых ЭВМ и возможность запуска программы на удалённой ЭВМ.

Первая задача наиболее естественно решается с помощью использования так называемой сетевой файловой системы [network file system - NFS], которая организует работу пользователя с удалёнными файлами так, как будто эти файлы находятся на магнитном диске самого пользователя.

Вторая задача решается с помощью механизма вызова удалённой процедуры [remote procedure call — RPC], который реализуется средствами ядра и также скрывает от пользователя разницу между локальными и удалёнными программами.

Наличие средств для управления ресурсами удалённых ЭВМ, является основой для создания распределённых вычислительных систем. Распределённая вычислительная система [distributed computer system] – это совокупность нескольких связанных ЭВМ, работающих независимо, но выполняющих общее задание. Такую систему можно рассматривать как многопроцессорную.

Модель «клиент-сервер»

Важной особенностью современных операционных систем является то, что в основу взаимодействия прикладной программы и операционной системы заложена модель «клиент-сервер». Все обращения пользовательской программы (клиента) к операционной системе обрабатываются специальной программой (сервером). При этом используется механизм, аналогичный вызову удаленной процедуры, что позволяет легко перейти от взаимодействия между процессами в пределах одной ЭВМ к распределенной системе.

Технология «plug and play».

Под технологией «plug and play» (PnP-технология) понимается способ взаимодействия между операционной системой и внешними устройствами. Операционная система проводит опрос всех периферийных устройств и должна получить от каждого устройства определённый ответ, из которого можно определить, какое устройство подключено и какой драйвер требуется для его нормальной работы. Цель использования данной технологии заключается в упрощении подключения новых внешних устройств. Пользователь должен быть избавлен от сложной работы по настройке внешнего устройства, требующей высокой квалификации.

Задания:

1. Издательские системы

а) Word;

б) WordPad;

в) Блокнот;

г) Quark Press;

д) Page Maker.

2. Вспомогательные программные средства, обеспечивающие сервис пользователю при работе с компьютером

а) утилиты;

б) драйвера;

в) интерфейсы;

г) контроллеры.

3. Программные средства, предназначенные для подключения различных устройств компьютера

а) утилиты;

б) драйвера;

в) интерфейсы;

г) контроллеры.

4. BIOS

а) игровая программа;

б) командный язык операционной системы;

в) диалоговая оболочка;

г) базовая система ввода-вывода.

5. Текстовый процессор

а) Windows;

б) Word;

в) WordPad;

г) Блокнот;

д) Quark Press;

е) Page Maker.

6. Браузерами являются

а) серверы Интернета;

б) антивирусные программы;

в) трансляторы языка программирования;

г) средства просмотра веб-страниц.

7. Архиваторами называют программы, которые…

а) проверяют синтаксические ошибки в тексте

б) проверяют семантические ошибки в тексте

в) переводят исходный текст на язык машинных команд

г) осуществляют упаковку и распаковку совокупности информации

Лекция № 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ, АЛГОРИТМИЗАЦИЯ И ПРОГРАММИРОВАНИЕ

План:

1. Моделирование:

a. понятие модели;

b. классификация моделей;

c. свойства моделей;

d. этапы компьютерного моделирования.

2. Алгоритмизация:

a. понятие алгоритма,

b. исполнитель алгоритма,

c. свойства алгоритмов,

d. величины и их характеристики,

e. формы записи алгоритмов,

f. базовые алгоритмические структуры.

3. Языки программирования:

a. уровни языков программирования,

b. основные понятия,

c. парадигмы программирования.

МОДЕЛИРОВАНИЕ

В своей деятельности человек повсеместно использует модели, то есть создает образ, копию того объекта, с которым ему приходится иметь дело. Продумывая план действий, представляя результат своих действий, человек строит модель на уровне мысли.

Модель - это искусственно созданный объект, дающий упрощенное представление о реальном объекте, процессе или явлении, отражающий существенные стороны изучаемого объекта с точки зрения цели моделирования. Моделирование - это построение моделей, предназначенных для изучения и исследования объектов, процессов или явлений.

Модель – это некоторое представление или описание оригинала (объекта, процесса, явления), которое при определенных предложениях, гипотезах о поведении оригинала позволяет замещать оригинал для его лучшего изучения, исследования, описания его свойств.

Слово "модель" (лат. modelium) означает "мера", "способ", "сходство с какой-то вещью".

Объект, для которого создается модель, называют оригиналом или прототипом. Любая модель не является абсолютной копией своего оригинала, она лишь отражает некоторые его качества и свойства, наиболее существенные для выбранной цели исследования. При создании модели всегда присутствуют определенные допущения и гипотезы.

Модель и моделирование – это универсальные понятия, атрибуты одного из наиболее мощных методов познания в любой профессиональной области, познания объекта, процесса, явления (через модели и моделирование).

Проблема моделирования состоит из трех взаимосвязанных задач: построение новой (адаптация известной) модели; исследование модели (разработка метода исследования или адаптация, применение известного); использование (на практике или теоретически) модели.

Схема построения модели М системы S с входными сигналами X и выходными сигналами Y изображена на рис.

Рис. 4.1. Схема построения модели

Классификацию моделей проводят по различным критериям:

- статическая модель, если среди параметров описания модели нет (явно) временного параметра,

- динамическая модель, если среди параметров модели явно выделен временной параметр,

- дискретная модель, если описывает поведение оригинала лишь дискретно, например, в дискретные моменты времени (для динамической модели).

- непрерывная модель, если описывает поведение оригинала на всем промежутке времени,

- детерминированная, если для каждой допустимой совокупности входных параметров она позволяет определять однозначно набор выходных параметров; в противном случае – модель недетерминированная, стохастическая (вероятностная),

- функциональная модель, если представима системой функциональных соотношений (например, уравнений),

- теоретико-множественная модель, если представима некоторыми множествами и отношениями их и их элементов,

- логическая модель, если представима предикатами, логическими функциями и отношениями,

- информационно-логическая модель, если она представима информацией о составных элементах, подмоделях, а также логическими отношениями между ними,

- игровая модель, если она описывает, реализует некоторую игровую ситуацию между элементами (объектами и субъектами игры),

- алгоритмическая модель, если она описана некоторым алгоритмом или комплексом алгоритмов, определяющим ее функционирование, развитие. Введение такого, на первый взгляд, непривычного типа моделей (действительно, кажется, что любая модель может быть представлена алгоритмом ее исследования), на наш взгляд, вполне обосновано, так как не все модели могут быть исследованы или реализованы алгоритмически,

- графовая модель, если она представима графом (отношениями вершин и соединяющих их ребер) или графами и отношениями между ними,

- иерархическая (древовидная) модель, если она представима иерархической структурой (деревом),

- языковая, лингвистическая модель, если она представлена некоторым лингвистическим объектом, формализованной языковой системой или структурой. Иногда такие модели называют вербальными, синтаксическими и т.п.,

- визуальная модель, если она позволяет визуализировать отношения и связи моделируемой системы, особенно в динамике,

- натурная модель, если она есть материальная копия оригинала.

- геометрическая модель, если она представима геометрическими образами и отношениями между ними,

- имитационная модель, если она построена для испытания или изучения, проигрывания возможных путей развития и поведения объекта путем варьирования некоторых или всех параметров модели.

Например, правила правописания – языковая, структурная модель. Глобус – натурная географическая модель земного шара. Макет дома является натурной геометрической моделью строящегося дома. Вписанный в окружность многоугольник дает визуальную геометрическую модель окружности на экране компьютера.

Границы между моделями различных типов или классов, а также отнесение модели к какому-то типу или классу чаще всего условны. Рассмотрим наиболее распространенные признаки, по которым классифицируются модели:

- цель использования;

- область знаний;

- фактор времени;

- способ представления.

По целям использования выделяются модели учебные, опытные, имитационные, игровые, научно-технические.

По области знаний выделяются модели биологические, экономические, исторические, социологические и т.д.

По фактору времени разделяются модели динамические и статические. Статическая модель отражает строение и параметры объекта, поэтому ее называют также структурной. Она описывает объект в определенный момент времени, дает срез информации о нем. Динамическая модель отражает процесс функционирования объекта или изменения и развития процесса во времени.

Любая модель имеет конкретный вид, форму или способ представления, она всегда из чего-то и как-то сделана или представлена и описана. В этом классе, прежде всего, модели рассматриваются как материальные и нематериальные.

Материальные модели - это материальные копии объектов моделирования.

Они всегда имеют реальное воплощение, воспроизводят внешние свойства или внутреннее строение, либо действия объекта-оригинала. Примеры: глобус - модель формы земного шара, кукла - модель внешнего вида человека, робот - модель действий человека на вредном производстве. Материальное моделирование использует экспериментальный (опытный) метод познания.

Нематериальное моделирование использует теоретический метод познания. По-другому его называют, абстрактным, идеальным. Абстрактные модели, в свою очередь, делятся на воображаемые и информационные.

Информационная модель - это совокупность информации об объекте, описывающая свойства и состояние объекта, процесса или явления, а также связи и отношения с окружающим миром.

Информационные модели представляют объекты в виде, словесных описаний, текстов, рисунков, таблиц, схем, чертежей, формул и т.д. Информационную модель нельзя потрогать, у нее нет материального воплощения, она строится только на информации. Ее можно выразить на языке описания (знаковая модель) или языке представления (наглядная модель).

Одна и та же модель одновременно относится к разным классам деления. Например, программы, имитирующие движение тел (автомобиля, снаряда, маятника, лифта и пр.). Такие программы используются на уроках физики (область знания) с целями обучения (цель использования). В то же время они являются динамическими, так как учитывают положение тела в разные моменты времени, и алгоритмическими по способу реализации.

Рассмотрим подробнее класс информационных моделей с позиции способов представления информации. Форма представления информационной модели зависит от способа кодирования (алфавита) и материального носителя.

Воображаемое (мысленное или интуитивное) моделирование - это мысленное представление об объекте. Такие модели формируются в воображении человека и сопутствуют его сознательной деятельности. Они всегда предшествуют созданию материального объекта, материальной и информационной модели, являясь одним из этапов творческого процесса. Например, музыкальная тема в мозгу композитора - интуитивная модель музыкального произведения.

Вербальное моделирование (относится к знаковым) - это представление информационной модели средствами естественного разговорного языка (фонемами). Мысленная модель, выраженная в разговорной форме, называется вербальной (от латинского слова verbalize - устный). Форма представления такой модели - устное или письменное сообщение. Примерами являются литературные произведения, информация в учебных пособиях и словарях, инструкции пользования устройством, правила дорожного движения.

Наглядное (выражено на языке представления) моделирование - это выражение свойств оригинала с помощью образов. Например, рисунки, художественные полотна, фотографии, кинофильмы. При научном моделировании понятия часто кодируются рисунками - иконическое моделирование. Сюда же относятся геометрические модели - информационные модели, представленные средствами графики.

Рис. 4.2. Образно-знаковые модели

Образно-знаковое моделирование использует знаковые образы какого-либо вида: схемы, графы, чертежи, графики, планы, карты (см. Рис.4.2). Например, географическая карта, план квартиры, родословное дерево, блок-схема алгоритма. К этой группе относятся структурные информационные модели, создаваемые для наглядного изображения составных частей и связей объектов. Наиболее простые и распространенные информационные структуры - это таблицы, схемы, графы, блок-схемы, деревья.

Знаковое (символическое выражено на языке описания) моделирование (рис. 4.3) использует алфавиты формальных языков: условные знаки, специальные символы, буквы, цифры и предусматривает совокупность правил оперирования с этими знаками. Примеры: специальные языковые системы, физические или химические формулы, математические выражения и формулы, нотная запись и т. д. Программа, записанная по правилам языка программирования, является знаковой моделью.

Рис. 4.3. Знаковые модели

Одним из наиболее распространенных формальных языков является алгебраический язык формул в математике, который позволяет описывать функциональные зависимости между величинами. Составление математической модели во многих задачах моделирования хоть и промежуточная, но очень существенная стадия.

Математическая модель - способ представления информационной модели, отображающий связь различных параметров объекта через математические формулы и понятия.

В тех случаях, когда моделирование ориентировано на исследование моделей с помощью компьютера, одним из его этапов является разработка компьютерной модели.

Компьютерная модель - это созданный за счет ресурсов компьютера виртуальный образ, качественно и количественно отражающий внутренние свойства и связи моделируемого объекта, иногда передающий и его внешние характеристики.

Компьютерная модель представляет собой материальную модель, воспроизводящую внешний вид, строение или действие моделируемого объекта посредством электромагнитных сигналов. Разработке компьютерной модели предшествуют мысленные, вербальные, структурные, математические и алгоритмические модели.

Основные свойства любой модели:

- целенаправленность;

- конечность;

- упрощенность;

- приблизительность;

- адекватность;

- информативность;

- полнота;

- замкнутость и др.

Жизненный цикл моделируемой системы:

- сбор информации;

- проектирование;

- построение;

- исследование;

- оценка;

- модификация.

Наука моделирования состоит в разделении процесса моделирования (системы, модели) на этапы (подсистемы, подмодели), детальном изучении каждого этапа, взаимоотношений, связей, отношений между ними и затем эффективного описания их с максимально возможной степенью формализации и адекватности.

Приведем примеры применения математического, компьютерного моделирования в различных областях:

- экономика: моделирование, прогнозирование экономических и социально-экономических процессов, межбанковские расчеты, автоматизация работ и т.д.;

- экология: моделирование загрязнения экологических систем, прогноз причинно-следственных связей в экологической системе, откликов системы на те или иные воздействия экологических факторов и т.д.;

- образование: моделирование междисциплинарных связей и систем, стратегий и тактик обучения и т.д.;

- социология, общественные науки: моделирование и прогнозирование поведения социологических групп и процессов, общественного поведения и влияния, принятие решений и т.д.;

- СМИ: моделирование и прогнозирование эффекта от воздействия тех или иных сообщений на группы людей, социальные слои и др.;

- туризм: моделирование и прогнозирование потока туристов, развития инфраструктуры туризма и др.;

- проектирование: моделирование, проектирование различных систем, разработка оптимальных проектов, автоматизация управления процессом проектирования и т.д.

Современное моделирование сложных процессов и явлений невозможно без компьютера, без компьютерного моделирования.

Компьютерное моделирование – основа представления (актуализации) знаний, как в компьютере, так и с помощью компьютера и с использованием любой информации, которую можно актуализировать с помощью ЭВМ.

Разновидность компьютерного моделирования – вычислительный эксперимент, осуществляемый экспериментатором над исследуемой системой или процессом с помощью орудия эксперимента – компьютера, компьютерной технологии. Вычислительный эксперимент позволяет находить новые закономерности, проверять гипотезы, визуализировать события и т.д.

Компьютерное моделирование от начала и до завершения проходит следующие этапы:

- Постановка задачи.

- Предмодельный анализ.

- Анализ задачи.

- Исследование модели.

- Программирование, проектирование программы.

- Тестирование и отладка.

- Оценка моделирования.

- Документирование.

- Сопровождение.

- Использование (применение) модели.

АЛГОРИТМИЗАЦИЯ

Понятие алгоритма

Понятие алгоритма такое же основополагающее для информатики, как и понятие информации.

Алгоритм - заранее заданное понятное и точное предписание возможному исполнителю совершить определенную последовательность действий для получения решения задачи за конечное число шагов. Это, скорее, описание интуитивного понятия алгоритма, раскрывающее его сущность.

Научное определение понятия алгоритма дал А. Черч в 1930 году. Позже и другие математики вносили свои уточнения в это определение. Алгоритм – точное предписание, которое задает вычислительный процесс (называемый в этом случае алгоритмическим), начинающийся с произвольного исходного данного (из некоторой совокупности возможных для данного алгоритма исходных данных) и направленный на получение полностью определяемого этим исходным данным результата.

Алгоритмизация – 1) этап решения задачи, состоящий в нахождении по формулировке задачи алгоритма ее решения; 2) раздел информатики, изучающий методы, приемы построения алгоритмов и их свойства (иногда также называемый алгоритмикой).

Исполнитель алгоритма

Исполнитель алгоритма – это некоторая абстрактная или реальная (техническая, биологическая или биотехническая) система, способная выполнить действия, предписываемые алгоритмом.

Исполнителя характеризуют: среда, элементарные действия, система команд, отказы.

Среда (или обстановка) – это искусственная или естественная область, в которой действует исполнитель, «место обитания» исполнителя. Каждый исполнитель может выполнять команды только из некоторого строго заданного списка – системы команд исполнителя. Предписание о выполнении отдельного законченного действия исполнителя называется командой. Для каждой команды должны быть заданы условия применимости (в каких состояниях среды может быть выполнена команда) и описаны результаты выполнения команды. После вызова команды исполнитель совершает соответствующее элементарное действие. Отказы исполнителя возникают, если команда вызывается при недопустимом для нее состоянии среды.

В информатике универсальным исполнителем алгоритмов является компьютер.

Свойства алгоритмов

1. Понятность для исполнителя – алгоритм содержит предписания о выполнении только таких действий и о проверке только тех свойств объектов, которые входят в систему команд исполнителя. Иными словами, имея алгоритм и произвольный вариант исходных данных, исполнитель должен знать, как надо действовать для выполнения этого алгоритма.

2. Дискретность (прерывность, раздельность) – команды алгоритма выполняются последовательно, с точной фиксацией моментов окончания выполнения одной команды и начала выполнения следующей. Алгоритм должен представлять процесс решения задачи как последовательное выполнение простых (или ранее определенных) шагов (этапов).

3. Точность – после выполнения каждой очередной команды точно известно, завершено ли исполнение алгоритма или же какая команда должна выполняться следующей.

4. Определенность (детерминированность) – каждое правило алгоритма должно быть четким, однозначным и не оставлять места для произвола. Благодаря этому свойству выполнение алгоритма носит механический характер и не требует никаких дополнительных указаний или сведений о решаемой задаче.

5. Результативность (или конечность) состоит в том, что за конечное число шагов алгоритм либо должен приводить к решению задачи, либо после конечного числа шагов останавливаться из-за невозможности получить решение с выдачей соответствующего сообщения, либо неограниченно продолжаться в течение времени, отведенного для исполнения алгоритма, с выдачей промежуточных результатов.