Ноу Інти, лекція, виконавці алгоритмів - людина і автомат

Виконавцем називається деяка біологічна, технічна або змішана структура, здатна виконувати (покомандно або програмно) певний клас алгоритмів в деякій операційному середовищі (деякій множині допустимих "інструментів" і "команд").

Найбільш використовувані типи виконавця алгоритмів - людина або автомат (комп'ютер).

Людина як виконавець алгоритмів - сукупність виконуючих підсистем (м'язова, рухова, зорова, нюхова і ін.) І керуючої підсистеми (нервова, нейронна).

Нервова система передає інформацію, що отримується від нервових закінчень шкіри, очей, вух та інших органів, до нервових центрів для її подальшої інтеграції, обробки та вироблення адекватної реакції. Нервова система - сукупність взаємодіючих нервових клітин або нейронів. У людини їх - величезна кількість.

Приклад. За різними оцінками фізіологів, в корі переднього мозку людини - близько 50 млрд нейронів. Нейрони. хоча і працюють повільно (близько сотні інструкцій в секунду), але можуть за рахунок більш ефективної взаємодії один з одним і організації найскладніших нейроструктурних зв'язків (кластерів) вирішувати складні розумові завдання, приймати рішення.

Приклад. Така погано структурована, але "проста" для людини завдання, як "одягнутися по погоді", вирішується швидко за допомогою обробки зорової, слухової інформації та узгодженої "нейронної" оцінки ситуації, хоча вона і погано формалізується. Комп'ютера це завдання вирішувати буде набагато складніше. З іншого боку, обчислювальні ресурси людини обмежені в порівнянні з можливостями комп'ютера, який у багато разів краще (швидше, точніше) вирішує добре формалізуються і добре структуровані завдання.

Нейрони служать для передачі інформації за рахунок нервових імпульсів, яка розшифровується у відповідних областях кори головного мозку.

У безпосередній (сенсорну) пам'ять людини надходить інформація від різних сенсорів: зорових, слухових, нюхових і т.д. Потім ця інформація переводиться в оперативну пам'ять (пам'ять свідомості). Далі вона пересилається в довгострокову пам'ять з залученням підсвідомості ( "укладається на полички" з відповідними назвами "Форми поведінки", "Об'єкти і образи", "Правила і процедури виявлення та ідентифікації об'єктів", "Правила вибірки і організації інформації", "Життєвий досвід "," Побутові навички та вміння "," Професійні навички та вміння "і ін.).

Приклад. Побачений людиною конкретний комп'ютер асоціюється з абстрактним поняттям "Комп'ютер" (з довготривалої пам'яті) - наприклад з відомостями про цей пристрій - інформаційними кодами, які визначають об'єкт (зв'язок. Поняття). Коди зв'язуються між собою, створюючи образ конкретного комп'ютера.

В живому організмі передача, зберігання або обробка інформації відбувається за допомогою біохімічних реакцій і повідомлень - сигнальних молекулярних систем і їх перетворень за рахунок хімічних реакцій каталізу і різниць концентрації хімічних речовин. Різниця потенціалів дій (електричні сигнали) проводять нервові волокна, за допомогою центральної нервової системи. При цьому використовується і генна інформація. яка передається від ДНК до РНК, від РНК - до білка, визначаючи нову білкову структуру, її функції.

Другий важливий тип виконавців - кінцеві автомати, автоматичні (тобто функціонують певний проміжок часу без участі людини) пристрої, вхід, вихід і стану яких можна описати кінцевими послідовностями повідомлень (слів над кінцевими алфавітами).

Будь кінцевий автомат реалізує якийсь непорожній клас алгоритмів і складається із сукупності керуючого автомата. який визначає порядок виконання дій, і операційного автомата. реалізує самі дії, що виконуються автоматом.

Приклад. Приклад кінцевого автомата - автомат для продажу газованої води. Його функціонування можна зобразити графом (рис. 10.1), якщо ввести такі множества і події:

Мал. 10.1. Граф автомата для продажу газованої води

Функціонування кінцевого автомата відбувається в дискретні моменти часу t = 0, 1, 2. T. Зміна стану автомата, тобто перехід з поточного стану в новий стан, може бути здійснено або до видачі вихідного сигналу, або - після видачі цього сигналу. У зв'язку з цим, виділяють два типи кінцевих автоматів - автомати Мілі і автомати Мура. які розрізняються законами функціонування автоматів.

Закони функціонування автомата Мілі:

Закони функціонування автомата Мура:

Функція виходів f автомата Мура явно не залежить від вхідного сигналу і повністю визначається тільки самим внутрішнім станом автомата. яке, в свою чергу. визначається вхідним сигналом.

Приклад. Приклад конкретного автомата Мура наведено вище (автомат для газованої води). Наведемо абстрактний приклад автомата Мілі. Х = 1. х2>. У = 1. у2. у3>. S = 0. s1. s2. s3. s4. s5>. функції переходу і виходу f задамо таблицями відповідностей:

Комп'ютер можна розглядати як сукупність взаємодіючих кінцевих автоматів. Розглянемо таку структуру докладніше.

Пам'ять комп'ютера - послідовність комірок пам'яті, тобто фізичних пристроїв, куди можна записувати або зчитувати послідовність бітів, кожен з яких зберігається в потрібному розряді.

Приклад. Запишемо числа 1310. в форматі цілих чисел в Восьмирозрядних осередок пам'яті запишеться у вигляді (старший біт буде містити біт знака числа, наприклад, 1 - якщо число негативно і 0 - якщо число позитивно). З огляду на, що 1310 = 11012. отримуємо уявлення виду:

Аналогічним чином представляються в пам'яті комп'ютера і речові числа: або частинами (ціла частина - окремо, подрібнена - окремо), або в спеціальній, так званої нормалізованому формі. для якої зберігається окремо дрібна частина (мантиса) і порядок - ступінь двійки, домноженіем на яку можна записати дане число.

Приклад. Якщо десяткове число дорівнює 5,25, тобто в двійковій формі - 101,01, то воно записується в нормалізованому формі. 0,10101 з порядком, рівним в двійковому вигляді 101.

Команди, як і числа, розміщуються (в бітовому зображенні) в спеціальних електронних пристроях - так званих регістрах.

Регістр - електронний пристрій, як і осередок пам'яті, що запам'ятовує і зберігає (тимчасово) послідовність бітів певної довжини. Регістри реалізуються більш дорогими і чутливими фізичними пристроями і тому, в порівнянні з основною пам'яттю комп'ютера. реєстрова пам'ять або так звана кеш-пам'ять - невелика.

Приклад. Для комп'ютера з пам'яттю 512 мегабайт основний пам'яті може бути характерна реєстрова пам'ять в 64 кілобайт.

Кожній команді ставиться у відповідність операція, проводиться розшифровка коду цієї операції. потім витягуються операнди або числа, над якими необхідно виконати операцію. Далі виконується операція з цими операндами, і результат операції поміщається в відповідному полі пам'яті.

Крім оперативної пам'яті, комп'ютер має зовнішню пам'ять (ВЗУ) з великою ємністю, але з великим часом запису або зчитування інформації. Зовнішня пам'ять реалізується за допомогою зовнішніх носіїв інформації: магнітних або оптичних дисків.

Джон фон Нейман запропонував ряд принципів, які лягли в основу фон Неймановская або класичної архітектури комп'ютера: