Контрольные вопросы. Лекция: Компьютер как формальный исполнитель алгоритмов Теперь мы знаем

Алгоритм –последовательность действий, описывающая процесс преобразования объекта из начального состояния в конечное, записанная с помощью понятных исполнителю команд.

Исполнителем алгоритма может быть человек или автоматическое устройство – компьютеры, роботы, станки, спутники, сложная бытовая техника и даже детские игрушки. Каждый алгоритм создается в расчете на вполне конкретного исполнителя.

Компьютер, как исполнитель, любую работу выполняет по программе. Программы пишут люди, а компьютер формально их выполняет.

Разработчики систем искусственного интеллекта пытаются научить машину, подобно человеку, самостоятельно строить программу своих действий, исходя из условия задачи.

Ставится цель превращения компьютера из формального исполнителя в интеллектуального исполнителя.

Работа обоих исполнителей состоит из четырёх блоков, но формальный исполнитель работает по уже готовой программе, а интеллектуальный – сам составляет программу и получает результат.

Информация для компьютера - данные , представленные в форме, приемлемой для её передачи и обработки на компьютере.

Для работы с данными компьютеру необходимы инструкции (команды , правила действия). Команды формируются в перечень команд.

Алгоритм – это последовательность действий (команд) для достижения цели.

В XIX веке английским математиком и инженером Чарльзом Бэббиджем был разработан проект вычислительной машины, которая предназначалась для автоматического проведения длинных цепочек вычислений. Главной особенностью конструкции этой машины является программный принцип работы.

Чарльза Беббиджа считают изобретателем компьютера – он впервые соединил механический арифмометр с идеей программного управления.

По своему назначению компьютер – это универсальный прибор для работы с информацией.

В основу работы компьютеров положен программный принцип управления. Любой компьютер представляет собой автоматическое устройство, работающее по заложенным в него программам.

Первая вычислительная машина, способная хранить программу в своей памяти, разрабатывалась в 1943-1948 гг. в США под руководством Джона Мочли и Преснера Экерта.

В 1945 г. к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств.

Первый компьютер, в котором были полностью реализованы эти принципы, был построен в 1949 г. английским исследователем Морисом Уилксом. Изменяется элементная база, компьютеры становятся все более и более мощными, но до сих пор большинство из них соответствуют тем принципам, которые изложил в своем докладе в 1945 г. Джон фон Нейман.

Согласно фон Нейману, ЭВМ состоит из следующих основных блоков:

Арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;

Устройство управления, которое организует процесс выполнения программ;

Запоминающее устройство, или память, для хранения программ и данных;

Внешние устройства для ввода-вывода информации.

В современных компьютерах это:

Память (запоминающее устройство - ЗУ), состоящая из перенумерованных ячеек;

Процессор, включающий в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ);

Устройство ввода;

Устройство вывода.

Эти устройства соединены между собой каналами связи, по которым передается информация.

Одна часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством , а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, - устройством управления . Обычно эти устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.

В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами . Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером .

Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определенным образом общей системой управления.

Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций. Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:

- сумматор - регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции;

- счетчик команд - регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды. Он служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти;

- регистр команд - регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные - для хранения кодов адресов операндов.

Компьютер является универсальным исполнителем по обработке информации. Значит, для него, как для любого исполнителя, существует определённая система команд (СКИ). Такая система команд для компьютера называется языком машинных команд (ЯМК)

Программа для компьютера – это алгоритм, разработанный на ЯМК. Или, Программа управления компьютером – это последовательность команд ЯМК, где каждая команда – директива для процессора на выполнение определённого действия.

Рассмотрим этапы выполнения программы.

Согласно принципам Джона фон Неймана, программа во время её исполнения и данные, которые она обрабатывает, находятся в оперативной памяти (принцип хранимой в памяти программы). Процессор исполняет программу начиная с первой команды и заканчивая последней.

Какое основное свойство оперативной памяти? (энергозависимость, работает с данными, активными в текущий момент времени)

Какие есть особенности в восприятии информации человеком и компьютером? (человек воспринимает информацию с помощью органов чувств, в виде знаков и сигналов, а компьютер воспринимает информацию в виде цифр (0 и 1).)

Как сделать так, чтобы программа, написанная человеком была понятна компьютеру? (нужен способ перевода)

Для компьютера вся информация должна быть представлена в двоичных кодах, т.е. необходим способ перевода. Такой способ перевода называется трансляцией , а выполняет это транслятор.

Вывод: Устройством, которое обрабатывает информацию в компьютере, является процессор, следовательно, алгоритм должен использовать систему команд процессора, или другими словами записан на машинном языке, представляющем собой последовательности нулей и единиц

Сначала программисты, работавшие на компьютерах первого поколения (50-е – 60-е г.г.), составляли программы на ЯМК (в двоичных кодах), но это довольно сложная работа, поэтому для облегчения программирования были созданы языки программирования высокого уровня (ЯПВУ) - это искусственно созданные языки с несколькими десятками слов (операторов) и строгими правилами синтаксиса. Составление программ на ЯПВУ намного проще. Примеры ЯПВУ: Фортран, Паскаль, Бейсик, Си и др.

Для того чтобы процессор мог выполнить программу, написанную на языке программирования, она и данные с которыми она работает должны быть загружены в оперативную память. Программа написана и загружена в оперативную память и для того чтобы процессор ее выполнил в оперативной памяти, должна быть еще и программа переводчик (транслятор), который переводит программу с языка высокого уровня на язык машинных команд

Таким образом, цепочка событий от составления программы на ЯПВУ до получения результатов решения задачи выглядит так

Человек всегда должен понимать ограниченность возможность компьютера как исполнителя, необходимость предусмотреть все тонкости команд, поручаемых компьютеру. Человек разрабатывает алгоритм, записывает его на ЯПВУ и анализирует результаты выполнения программы.

Компьютер является формальным исполнителем программ.

Итак, компьютер не может обойтись без программы и исходных данных, подготовить их может только человек.

Поэтому можно говорить, что решение задач компьютером - это формальное исполнение алгоритма (программы), а компьютер является формальным исполнителем.

Компьютер может быть использован для решения самых разнообразных задач, поэтому, исходя из условия задачи, человек решает, каким программным средством пользоваться. Если в состав ПО входят программы, подходящие для решения задач человека, то удобнее ими воспользоваться (текстовый редактор, электронные таблицы, базы данных, презентации).

В случае, если нельзя воспользоваться готовым программным обеспечением, приходится прибегать к программированию (операционные системы, доработка ОС, трансляторы, драйверы, архиваторы, антивирусы).

ОБЩАЯ СХЕМА КОМПЬЮТЕРА

Персональный компьютер (ПК) в своём минимально необходимом составе согласно этой схеме включает:

• основные устройства ввода: клавиатуру и манипулятор «мышь»;
• основное устройство вывода: монитор;
• центральная часть располагается в системном блоке;
• внешняя память располагается на носителях – дисках и приводится в действие специальными приводами – дисководами;
• в единую конфигурацию все части ПК соединены с помощью устройств сопряжения.

В основе строения ПК лежат два важных принципа: магистрально-модульный принцип и принцип открытой архитектуры . Согласно первому все части и устройства изготавливаются в виде отдельных блоков, информация между которыми передаётся по комплекту соединений, объединённых в магистраль. При этом общую схему ПК можно представить в следующем виде:

Второй принцип построения ПК – открытая архитектура – предполагает возможность сборки компьютера из независимо изготовленных частей, доступную всем желающим (подобно детскому конструктору).

Использованы материалы сайта http://www.iiikt.narod.ru

Исполнителя характеризуют:

• среда;
• элементарные действия;
• система команд;
• отказы.

Среда (или обстановка) - это «место обитания» исполнителя.

Система команд. Каждый исполнитель может выполнять команды только из некоторого строго заданного списка-системы команд исполнителя. Для каждой команды должны быть заданыусловия применимости (в каких состояниях среды может быть выполнена команда) и описанырезультаты выполнения команды.
После вызова команды исполнитель совершает соответствующееэлементарное действие.

Отказы исполнителя возникают, если команда вызывается при недопустимом для нее состоянии среды.

Исполнитель ничего не знает о цели алгоритма. Он выполняет все полученные команды , не задавая вопросов «почему» и «зачем» .

Компьютер как формальный исполнитель алгоритмов.

Рассмотрим процесс управления информационным процессом, в котором в качестве управляемого объекта выбран текст. Другими словами, рассмотрим информационный процесс, связанный с редактированием (изменением состояния) текста.
Во-первых , для того, чтобы преобразовать текст, должен существовать кто-то или что-то, который эти преобразования выполняет. Иными словами, необходим исполнитель этих преобразований.
Во-вторых , процесс преобразования текста необходимо разбить на отдельные операции, которые должны быть записаны в виде отдельных команд исполнителю. Каждый исполнитель обладает определенным набором, системой команд , которые он может выполнить. В процессе редактирования текста возможны различные операции: удаление, копирование, перемещение или замена его фрагментов. Исполнитель редактирования текста должен быть в состоянии выполнить эти операции.
В-третьих , должно быть определено начальное состояние объекта, в данном случае текста, и его требуемое конечное состояние (цель преобразования).
Будем говорить, что информационный процесс, обладающий всеми перечисленными выше свойствами, называется алгоритмом . Исполнитель может выполнить алгоритм, если команды алгоритма входят в систему команд исполнителя.
Например: пользователю необходимо отредактировать текст следующим образом:

1. Выделить символы с 1 по 15.
2. Вырезать этот фрагмент и поместить его в буфер.
3. Установить курсор на позицию после 7-го символа.
4. Вставить вырезанный фрагмент текста.

Этот алгоритм пользователь может выполнять формально. Пользователь в процессе выполнения алгоритма на компьютере будет нажимать клавиши клавиатуры, а при работе с графическим интерфейсом с помощью мыши активизировать те или иные кнопки, пункты меню и т.д. Факти­чески пользователь будет давать команды объектам программной средыWindows&Office, которые и будут исполнителями алгоритма.

Алгоритмические языки программирования. Представление информационного процесса в форме алгоритма позволяет поручить его автоматическое исполнение различным техническим устройствам, среди которых особое место занимает компьютер. При этом говорят, что компьютер исполняет программу (последовательность команд), реализующую алгоритм на каком-либоязыке программирования.

Появление алгоритмов связывают с зарождением математики. Более 1000 лет назад (в 825 году) ученый из города Хорезма Абдулла (или Абу Джафар) Мухаммед бен Муса аль-Хорезми создал книгу по математике, в которой описал способы выполнения арифметических действий над многозначными числами. Само слово алгоритм возникло в Европе после перевода на латынь книги этого математика.

Алгоритм – описание последовательности действий (план), строгое исполнение которых приводит к решению поставленной задачи за конечное число шагов.

Вы постоянно сталкиваетесь с этим понятием в различных сферах деятельности человека (кулинарные книги, инструкции по использованию различных приборов, правила решения математических задач...). Обычно мы выполняем привычные действия не задумываясь, механически. Например, вы хорошо знаете, как открывать ключом дверь. Однако, чтобы научить этому малыша, придется четко разъяснить и сами эти действия и порядок их выполнения: 1. Достать ключ из кармана. 2. Вставить ключ в замочную скважину. 3. Повернуть ключ два раза против часовой стрелки. 4. Вынуть ключ.

Если вы внимательно оглянитесь вокруг, то обнаружите множество алгоритмов которые мы с вами постоянно выполняем. Мир алгоритмов очень разнообразен. Несмотря на это, удается выделить общие свойства, которыми обладает любой алгоритм.

Свойства алгоритмов: 1. Дискретность (алгоритм должен состоять из конкретных действий, следующих в определенном порядке); 2. Детерминированность (любое действие должно быть строго и недвусмысленно определено в каждом случае); 3. Конечность (каждое действие и алгоритм в целом должны иметь возможность завершения); 4. Массовость (один и тот же алгоритм можно использовать с разными исходными данными); 5. Результативность (отсутствие ошибок, алгоритм должен приводить к правильному результату для всех допустимых входных значениях).

Виды алгоритмов: 1. Линейный алгоритм (описание действий, которые выполняются однократно в заданном порядке); 2. Циклический алгоритм (описание действий, которые должны повторятся указанное число раз или пока не выполнено задание); 3. Разветвляющий алгоритм (алгоритм, в котором в зависимости от условия выполняется либо одна, либо другая последовательность действий) 4. Вспомогательный алгоритм (алгоритм, который можно использовать в других алгоритмах, указав только его имя).

Для более наглядного представления алгоритма широко используется графическая форма - блок-схема , которая составляется из стандартных графических объектов.

Вид стандартного графического объекта	Назначение
	Начало алгоритма
	Конец алгоритма
	Выполняемое действие записывается внутри прямоугольника
	Условие выполнения действий записывается внутри ромба
	Ввод-вывод

Стадии создания алгоритма: 1. Алгоритм должен быть представлен в форме, понятной человеку, который его разрабатывает. 2. Алгоритм должен быть представлен в форме, понятной тому объекту (в том числе и человеку), который будет выполнять описанные в алгоритме действия.

Объект, который будет выполнять алгоритм, обычно называют исполнителем.

Исполнитель - объект, который выполняет алгоритм.

Идеальными исполнителями являются машины, роботы, компьютеры...

Исполнитель способен выполнить только ограниченное количество команд. Поэтому алгоритм разрабатывается и детализируется так, чтобы в нем присутствовали только те команды и конструкции, которые может выполнить исполнитель.

Исполнитель, как и любой объект, находится в определенной среде и может выполнять только допустимые в нем действия. Если исполнитель встретит в алгоритме неизвестную ему команду, то выполнение алгоритма прекратится.

Компьютер – автоматический исполнитель алгоритмов.

Алгоритм, записанный на «понятном» компьютеру языке программирования, называется программой.

Программирование - процесс составления программы для компьютера. Для первых ЭВМ программы записывались в виде последовательности элементарных операций. Это была очень трудоемкая и неэффективная работа. Поэтому в последствии были разработанные специальные языки программирования. В настоящее время существует множество искусственных языков для составления программ. Однако, так и не удалось создать идеальный язык, который бы устроил бы всех.

Контрольные вопросы. В чём отличие формального исполнителя от интеллектуального? Что такое ЯМК? Кто предложил такую систему? Какие особенности выполнения программы на ЯМК компьютером? Что такое ЯПВУ? Особенности выполнения программы компьютером, написанной на ЯПВУ? Почему компьютер можно назвать формальным исполнителем?

Картинка 18 из презентации «Выполнение алгоритмов компьютером» к урокам информатики на тему «Алгоритм»

Размеры: 960 х 720 пикселей, формат: jpg. Чтобы бесплатно скачать картинку для урока информатики, щёлкните по изображению правой кнопкой мышки и нажмите «Сохранить изображение как...». Для показа картинок на уроке Вы также можете бесплатно скачать презентацию «Выполнение алгоритмов компьютером.ppt» целиком со всеми картинками в zip-архиве. Размер архива - 321 КБ.

Скачать презентацию

Алгоритм

«Выполнение алгоритмов компьютером» - Процессор. Формальный исполнитель Алгоритм и программа Особенности выполнения программы. Особенности выполнения программы. Трансляция. Состав команд ЯМК предложил Джон фон Нейман в 1946г. Этапы выполнения программы. Программа. 1. 0011+0101. Данные. Компьютер. 4. 3.

«Data Mining» - Литература по Data Mining. Пример 2. История Data Mining. Системы обработки экспертных знаний. Кибернетические методы. Для карт Кохонена: карты входов, выходов, другие специфические карты. Преимущества метода. Сложность разработки и эксплуатации приложения Data Mining. Процесс конструирования. Критерии: Точность распознавания Ошибка.

«Алгоритмы в информатике» - Полная форма. Структура ветвления. Приведите, пожалуйста, еще примеры циклического алгоритма. Нет. Линейный. Вспомните: что такое алгоритм? Действие. Структура цикла. Алгоритмы можно описать: словесно; таблично; с помощью программы; графически. Как можно представить алгоритм? Действие N. Циклический.

«Логические выражения» - Содержание. ?. Выражается словами ЕСЛИ…, ТО… Логическое следование или Импликация. Цель. Логическое отрицание. Пример: для сдачи экзамена необходимы знания или везение. Логическое следование. Логические выражения. Запомни знак! 1.Логические 2. Предикаты. утверждения. Обозначается значком.

«Команда алгоритма» - Каждая команда алгоритма должна определять однозначное действие исполнителя. 2.Понятность. 1.Точность. Команда 2. Серия. … Команда n. Команда 1. Линейный алгоритм. Свойства алгоритма. Циклический алгоритм. Алгоритм, в котором команды выполняются последовательно одна за другой, называется … Условие.

«Линейный алгоритм» - От куда мы брали информацию. Мы живём по линейному алгоритму. И то в нас заложено. Мы брали информацию из головы. Линейный алгоритм-. Как механизм в часах: после 1,следует 2, после 2-3, после 3-4 должен работать алгоритм: всё на своём месте: после 1,следует 2, после 2-3 и т. д. Линейный алгоритм в жизни!!!

Всего в теме 31 презентация