Средства обработки информации

Введение

Конец XX и начало XXI века сопровождаются интенсивным развитием технической базы обработки информации и непрерывным совершенствованием технологий ее использования. Взаимодействие технических средств и методов обработки интеллектуальных задач привело к возникновению нового направления – информационных технологий. Вычислительные средства (ЭВМ) проникают во все сферы человеческой деятельности. Диапазон использования расширился от вычислительных, оформительских задач до попыток создания искусственного интеллекта.

Признак непрерывного совершенствования технологий – разработка усовершенствованных математических методов решения задач, создание новых и модификация существующих языков программирования. Новые математические методы реализуются стандартными процедурами решения, развитие языков программирования – средствами увеличения дружественности к пользователям. Результат – создание типовых программных блоков решения часто встречающихся подзадач, оформленных модулями стандартных библиотек языка программирования и внедрение графических интерфейсов ввода-вывода информации.

Одна из стадий инженерной подготовки – овладение приемами и навыками решения вычислительных задач с использованием традиционных математических методов (типовых структурированных задач). Решение любой вычислительной задачи организуется последовательностью типовых этапов: постановка задачи, создание ее математической модели, выбор метода решения, составление алгоритма, программирование его на одном из входных языков, а затем реализация программы на ЭВМ до получения результатов.

В качестве языка программирования выбран универсальный алгоритмический язык Си, ориентированный на решение инженерно-технических задач и создание системного программного обеспечения. Возрастание сложности решаемых задач и разработка новых концепций программирования привели к видоизменению языка и появлению версии Си++ (объектно-ориентированной). Объединяющий версии Си и Си++ компонент – общее ядро (база). Использование ядра языков Си/Си++ эффективное средство решения типовых математических (инженерных) задач.

Цель издания – обучение приемам решения типовых пользовательских задач средствами Си/Си++. Методики предусматривают два варианта организации ввода-вывода в операционной системе Windows «классического» посимвольного представления информации (в консольном окне) и графического интерфейса (в графическом окне).

Результаты решения в используемых вариантах интерфейса приведены в приложениях.

Издание определяет понятие программного продукта, его место в общей структуре информатики, излагает общую концепцию поэтапного создания. Материалы издания позволяют овладеть технологиями преобразования простейших задач пользователя в программные продукты – подготовить несложные инженерные задачи к решению на ЭВМ.

Методики выполнения каждого этапа преобразования, начиная с постановки задачи и заканчивая составлением программы, рассмотрены с требуемой степенью детализации. Отдельно рассмотрены методы и приёмы улучшения дружественности создаваемых программных продуктов, даны рекомендации по их универсализации.

Издание соответствует курсу «Программирование и основы алгоритмизации» для студентов специальностей 210100 «Управление и информатика в технических системах» направления 651900 «Автоматизация и управление» и 210200 «Автоматизация технологических процессов и производств (в пищевой и химической промышленности)» направления 657900 «Автоматизированные технологии и производства». Материалы издания соответствуют требованиям Государственного образовательного стандарта по указанным специальностям.

Глава 1. Программирование – компонент информатики

Потенциал человека определяется его физическими и интеллектуальными возможностями. Прогресс человечества обусловлен их непрерывным совершенствованием. Изобретение паровой машины в XIX веке стало началом первого этапа технической революции, обусловившего расширение физических возможностей человека. Появление электронных вычислительных машин (ЭВМ) в середине XX столетия создало предпосылки второго этапа научно-технических преобразований. Результат – эпоха информационных технологий – обеспечивает существенное развитие интеллектуальной деятельности человека. Новая фаза развития общества привела к созданию самостоятельного научного направления – информатики.

Информатика – наука об информации, средствах и способах её получения, хранения и обработки.

Назначение информатики – интенсификация интеллектуальной деятельности человека.

В соответствии с определением представим информатику совокупностью основных разделов (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Общая структура информатики

Рассмотрим каждый из разделов информатики.

Информация

Информация – совокупность сведений, позволяющих человеку познавать и преобразовывать окружающий мир.

Информация – основной материал информатики. Совокупность некоторого объёма информации образует информационные ресурсы.

Пути изучения реального мира разнообразны. Один из них реализуется в форме задач. Задачи позволяют исследовать конкретные компоненты действительности (объекты, системы, явления) и их взаимосвязи.

Диапазон представления компонентов, в соответствии с целью познания, достаточно велик – от простейших объектов до сложных многофункциональных систем. В любом случае, каждый объект обладает множеством конкретных характеристик.

Характеристика – конкретный параметр (свойство) объекта. Так, для простейшего объекта «линейка» можно выделить: материал, размеры, масса, тип шкалы, упругость, цвет, срок службы, качество поверхности и т.п. Каждая из характеристик, в свою очередь, может принимать одно из некоторого числа значений (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Схема изучения объекта

Значения характеристик определяются путём измерений (замеров).

Пользователя, в соответствии с целью исследования, интересует не весь, а ограниченный набор характеристик объекта. Поэтому целевое изучение объекта не может дать полного представления о нём.

В большинстве случаев исследование объектов начинается с постановки конкретных информационных задач.

Информационная задача – представление реальной задачи познания мира (действительности) в терминах информатики.

Основной материал информационных задач – данные.

Данное – формализованная величина, определяющая конкретную характеристику (параметр) исследуемого объекта (предмета исследования).

Данное, в общем виде, есть совокупность компонентов – имя, значение, размерность.

Обобщенная структура данного представлена схемой рис. 1.3.

Рис. 1.3. Структура данного

Имя и значение (конкретная величина) – основные характеристики данного, размерность – дополнительная.

Например, данные: объём 15,6 м³; высота 1500 мм; масса 0,365 кг имеют наименования, значения и размерность. Данные: цвет (зеленый); число Пи (3,14); основание натурального логарифма (2,7) – только наименования и значения.

Имя данного – однозначное обозначение физической сущности, назначения или свойства.

ü Внимание! Имя любого данного должно быть уникальным (отличным от других).

Имена задаются в виде словесного наименования или математического обозначения.

Наименования дают полное представление о назначении и характеристиках данных, но малоэффективны при записи из-за громоздкости и низкой наглядности. Поэтому, достаточно часто, в качестве имён используют обозначения принятые в математике или удобные пользователю. Например – S (площадь), V (объём), (3,14), ПЛ (площадь), ОБ (объём).

Многословные наименования удобно заменять аббревиатурами. При этом желательно, чтобы первая буква аббревиатуры задавала основной признак, последующие – дополнительные по степени значимости. Например, обозначение ДП (длина поля) лучше записать как ПД (поле, длина), а аббревиатуру ШП (ширина поля) – как ПШ (поле, ширина).

Данные под одним именем, принадлежащие разным объектам, желательно идентифицировать обозначением с индексом (индексами). Например, х₁, х₂, х₃, к₁₁, к₁₂, к₂₁, к₂₂, т₁₁₁, т₁₁₂, т₁₁₃, т₁₂₁, т₁₂₂, т₁₂₃ и т.д.

При этом, в качестве первого индекса используется порядковый номер в основном измерении, второго (последующих) – порядковые номера в дополнительных измерениях. Последовательность расположения индексов дополнительных измерений выбирается (задаётся) пользователем в порядке их приоритета. Например, – от большего к меньшему или наоборот.

Пример обозначения индексированных переменных для конкретных объектов исследования представлен на рис. 1.4.

Площади полей обозначены как S₁, S₂, а их размеры L₁₁, L₁₂, H₁₁, H₁₂ (для первого поля), L₂₁, L₂₂, L₂₃, H₂₁, H₂₂, H₂₃ (для второго).

ü Внимание! Рассмотренная система обозначений применима для данных всех видов и типов.

Рис. 1.4. Пример обозначения данных

Значение – количественная или качественная характеристика данного.

Количественная характеристика задаётся числовым значением и в большинстве случаев дополняется размерностью. Например, 15,6 м³; 150 мм; 0,365 кг или 3,14 (число Пи); 2,7 (основание натурального логарифма); а также 2; -0,333 (коэффициенты формул).

Качественная характеристика задается текстовым значением (совокупностью символов), подлежащим обработке. В качестве символов используются буквы, цифры, знаки. Как правило, текстовое значение размерности не имеет. Например, зеленый, больше, меньше, А28, в7сп_к. Текстовые значения (в отличие от обозначений переменных) желательно заключать в апострофы (кавычки) – “зеленый”, ‘больше’, “меньше”, “А28”, ‘в7сп_к’.

Значения конкретизируют характеристики объектов, заданных именами, позволяя, из множества возможных, использовать в данный момент времени только один. Например, данное «объем» может принимать любое из конкретных количественных численных значений (89 м³; 15,6 л; 0,03 мм³ и т.д.). Данное с наименованием «строка» может принимать любое из множества возможных значений (“А28”, ‘в7сп_к’, ‘больше’, “м & м” и т.д.), данное с обозначением ЦВ (цвет) – одно из конкретных значений (“зелёный”, “красный” и т.д.).

ü Внимание! Работа с поименованными данными предполагает, что каждое из них в процессе счёта должно иметь конкретное значение.

Размерность – дополнительная характеристика, определяющая физическую суть большинства данных.

Внимание! Использование размерностей позволяет проверить правильность получения промежуточных (выходных) данных через входные (промежуточные).

Классифицируем данные по критериям:

форма представления;

функциональное назначение;

изменяемость.

По критерию форма представления данные могут быть единичными (независимыми) и групповыми (взаимосвязанными) (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Классификация данных по форме представления

Константа – данное с постоянным (фиксированным) значением.

Типичный пример константы – любое конкретное число. Следовательно, константами являются 6; 150; 28,7; -0,05 и т.д.

Переменная – данное с модифицируемым (способным к изменению) значением.

Типичный пример – именованная величина в математике. В частности, переменные h, s, R.

Массив – упорядоченная совокупность однородных единичных данных, связанных по определенным признакам (измерениям).

Массив позволяет представить некоторую совокупность единичных данных одним групповым.

Физически массив реализуется совокупностью индексированных переменных (переменных с индексами).

Под индексами понимаются величины, определяющие месторасположение каждой переменной в ряду других, образующих массив.

Типичный пример – матрицы в математике. В частности, одномерная , двумерная .

Фрейм– совокупность неоднородных единичных данных (слотов), описывающих различные характеристики однотипных объектов.

Слоты, в отличие от индексированных переменных, различаются по структуре (форме представления).

Типичный пример фрейма – характеристики групп (студентов, городов, автомобилей). Так, для характеристики группы студентов в качестве слотов можно использовать фамилию, имя, отчество, год рождения, номер зачётной книжки, место жительства и т.д.

Множество– неупорядоченная совокупность однородных данных объединённых общим признаком и представляемых как единое целое.

Множества позволяют определить принадлежность конкретного данного к известной совокупности. Например, запись определяет принадлежность данного (константы 2) к указанному в фигурных скобках множеству, а запись отрицает принадлежность переменной z к тому же множеству. Возможна и словесная формулировка, так данное «вторник» принадлежит множеству «рабочие дни», а данное «суббота» не входит в это множество.

Классификация данных по критерию функциональное назначение представлена на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Классификация данных по функциональному назначению

Входные – данные, значения которых известны до начала счёта, т.е. выполняющие роль аргументов задачи.

Конечные– данные, значения которых требуется получить в процессе решения задачи.

Промежуточные– данные, используемые в процессе решения при переходе от входных к выходным.

Например, в задаче расчёта величины тока, в зависимости от значения напряжения и сопротивления цепи, в качестве входных данных используются напряжение и сопротивление. В качестве выходного – величина тока. Промежуточные данные отсутствуют. Если в цепи работают несколько электропотребителей (сопротивления которых известны), то под промежуточным данным можно понимать суммарное значение сопротивления всей цепи.

Классификация данных по критерию изменяемостьпредставлена на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Классификация данных по изменяемости

Фиксированные– данные представленные только значением (конкретной величиной).

Типичные примеры: 5 м; 4; 0,968 кг; 3,14.

К фиксированным относятся данные, которые по физической (математической) сути, традиционно постоянны.

Например, неизменяемые показатели степени, делители, коэффициенты.

Модифицируемые – данные с наименованиями (обозначениями).

Типичные примеры: D, R, ток, ПД, ПШ, V, Длина.

Модифицируемые данные универсальны, так как подразумевают использование любого из множества присущих им значений.

Так, в задаче расчёта площади круга по известной зависимости ( ), фиксированные данные – коэффициенты 2 и 4. К модифицируемым относятся диаметр (D), площадь (S) и число , значение которого может быть задано с разной степенью точностью (3,14; 3,1416 и т.д.).

Итак, данные – основная форма представления информации.

Средства обработки информации

Средства обработки – устройства для получения, передачи, преобразования и хранения информации.

Физически они выполняются в виде технических средств.

Технические (аппаратные) средства – комплекс электронных, лазерных, оптоволоконных, электромеханических устройств, составляющих материальную базу информатики.

Английское обозначение технических средств – Hardware (твердый продукт).

Технические средства (ТС) – инструмент решения информационных задач путём получения, хранения, преобразования и передачи информации (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Общая структура технических средств

Средства сбора информации – устройства (датчики) преобразования конкретных характеристик объектов в величины, удобные для передачи и дальнейшей обработки.

Так, термопары преобразуют температуру в ЭДС (напряжение), микрофоны – звуковые сигналы в электрические, сканер – графические символы в электрические сигналы.

Основные технические характеристики средств сбора – диапазон измерения, точность, вид выходного сигнала.

Средства передачи информации – устройства переноса данных на требуемые расстояния.

В большинстве случаев они выполняются в виде линий связи, усилителей и распределителей (коммутаторов).

Основные технические характеристики – вид сигнала, расстояние передачи без искажения, производительность (скорость передачи).

Средства обработки информации – устройства преобразования данных в соответствии с требованиями информационных задач.

Реализуются, как правило, в виде электронных элементов (микросхем).

Основные технические характеристики – скорость обработки, длина обрабатываемого одновременно блока данных.

Средства хранения информации – устройства запоминания информационных массивов на время, необходимое пользователю.

Реализуются, в виде электронных, магнитных, лазерных и магнитооптических устройств (носителей).

Основные технические характеристики – максимальный объём, тип носителя, время доступа (записи или считывания единичного данного).

В большинстве случаев, техническими средствами обработки и хранения информации являются электронные вычислительные машины. В ряде случаев они позволяют также собирать и передавать информацию.

Электронные вычислительные машины (ЭВМ) – основа ТС.

Анализ ветви технических средств возможен и по другим критериям. Так, используя в качестве критерия функциональные особенности, представим структуру ТС трёхуровневой схемой (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Классификация ТС по функциональным особенностям

Каждый уровень определяется конкретной степенью детализации: верхний – минимальной, нижний – максимальной.

Определим полученные элементы.

Персональные ТС – средства, обеспечивающие работу пользователя в индивидуальном (без связи с другими пользователями) режиме.

Калькулятор – простейшее карманное техническое средство для проведения несложных арифметических расчётов.

По режимам работы калькуляторы делятся на простые (ручной командный режим) и программируемые (полуавтоматический режим).

Персональная ЭВМ (ПЭВМ) – универсальное одномашинное средство, все ресурсы которого предназначены одному пользователю.

Технические характеристики ПЭВМ – объём обрабатываемой и хранимой информации, быстродействие, диапазон представления чисел. ПЭВМ создана в начале 80-х годов как минимальный комплекс для пользователей непрофессионалов. За полтора десятилетия ПЭВМ прошла гигантский путь развития. Технические характеристики возросли на несколько порядков, увеличился набор внешних устройств, кардинально расширились возможности применения (графические, оформительские, мультимедийные и др.). В результате ПЭВМ стала универсальным средством и широко используется пользователями-профессионалами.

ПЭВМ выпускается в двух вариантах – настольном (стационарном) и портативном (переносном).

Стационарная – ПЭВМ из нескольких блоков, характеризуемая большей мощностью, габаритами, массой и укомплектованная монитором с электронно-лучевой трубкой, вытесняемым в последнее время жидкокристаллическим дисплеем.

Портативная – ПЭВМ, компактно оформленная в едином корпусе (типа большого блокнота), с встроенными внешними устройствами – клавиатурой, жидкокристаллическим монитором и т.п.

Коллективные ТС – средства, обеспечивающие работу пользователя в индивидуальном, а также взаимосвязанном с другими пользователями режиме.

Многотерминальная ЭВМ – одномашинный комплекс, ресурсы которого одновременно используют несколько пользователей.

Многотерминальная ЭВМ обслуживает несколько подключённых рабочих мест (терминалов), обеспечивая параллельную централизованную обработку и хранение информации каждым пользователем системы.

Сети ЭВМ – многомашинные комплексы персональных и многотерминальных ЭВМ, объединённых линиями связи в единую систему.

Сети обеспечивают совместное использование информации при распределённой её обработке. При этом каждый из пользователей сети обладает собственными вычислительные ресурсами (ПЭВМ), децентрализовано обрабатывая доступную всем пользователям информацию.

По диапазону охвата (количеству пользователей, их географической распределённости) сети подразделяются на локальные и глобальные.

Локальная сеть – система, обеспечивающая обслуживание пользователей на компактной территории (одно помещение, здание).

Глобальная сеть – система, объединяющая множество отдалённых пользователей телекоммуникационными линиями общего назначения (телефонные проводные, беспроводные, спутниковые каналы).

Выбор иных критериев оценки позволяет получить другие варианты структурирования технических средств.

Далее ⇒