Практическая значимость работы.

Решение задачи ускорения научно-технического прогресса невозможно без использования средств вычислительной техники.

В любой сфере деятельности человеку необходимо располагать какими либо сведениями, документами, фактами, т.е. иметь определённую информацию. Информационный фонд – обязательный атрибут научно-исследователбских работ, процессов управления в производственно- технологической или социальной сфере, процесса обучения.

Высокие темпы научно-технического и культурного процесса сопровождаются ростом информационных потоков при одновременном сокращении времени на их обработку. Всё это заставило искать пути повышения доступности информации, обеспечения быстрого поиска и обработки сведений и фактов.

Большие возможности ЭВМ открыли перспективы ее использования в информационной деятельности человека. Бессмысленно перечислять все области применения ЭВМ, т. к. она применяется почти повсеместно. Круг решаемых задач очень разнообразен. И везде необходимо вести диагностику, учет, обработку различных сведений, а неправильно выбранный метод хранения информации не сможет обеспечить ее целостность и достоверность при запросах пользователя, что может привести к не желаемым последствиям.

Области применения ЭВМ очень разнообразны. Также разнообразны свойства и особенности, присущие каждой системе.

Классификация информационных систем

Существует ряд факторов, определяющих совокупность свойств информационных систем (ИС):

По техническому уровню ИС разделяют на:

    1. Ручные ИС.

      2. Все процессы проводятся вручную, что определяет небольшой объём обрабатываемой информации. Система представляет собой массив, в котором все данные хранятся на картах различных типов и объединены по определенной совокупности признаков. Такая система дешёвая, простая в обращении, не требует высокой квалификации.

    2. Механизированные ИС.

      3. Для обработки информации используются различные средства механизации, счетные машины с определенными функциями.

    3. Автоматизированные ИС.

      4. Хранят и обрабатывают очень большие массивы информации, где носителями являются запоминающие устройства.

      Средства вычислительной техники в АИС используются не только для хранения и поиска, но и для выполнения операций, связанных со сбором, подготовкой и передачей информации в ЭВМ, а также выдачей информации пользователю.

    4. Автоматические ИС.

Процессы происходят без участия человека. Обычного используются в более крупных системах (АСУ – автоматизированные системы управления техническими процессами, объектами и т. п.). Техническими средствами являются роботы, станки с программным управлением, технологические процессы, производственные процессы и т. п. Входная информация – сигналы, физические величины и т. п. Выходная информация используется для управления и регулирования процессами.

Классификация ИС.

По характеру обрабатываемой информации ИС делятся на документальные и фактографические.

Объекты: книги, статьи, патенты, информационные материалы.

Обработка: поиск документов соответствующих запросу пользователя.

Важно: содержание запроса и документа, их соответствие.

Средства поиска: информационные массивы, логико-лингвистические средства.

В данных системах используются только адреса объектов, т. к. они содержат большой объем информации.

Объекты: конкретные сведения и факты (параметры, характеристики объектов, технико-экономические сведения, социальная информация, т. е. информация, которая постоянно меняется и обновляется.).

К тому же ИС могут выполнять, в зависимости от своего назначения, различные целевые функции:

1. Информационно-справочные (информационно-поисковые). Например резервирование мест в поезде: запрос-поиск-результат.

2.Управленческие.Решение разного рода управленческих и технико-экономических задач. Например, АСУ в больнице. Ориентированы на выдачу различных справок, отчетов, обработанных по результатам ежедневной, еженедельной обработки информации.

3. Информационно-рассчетные. Статический анализ, учет, прогнозы месторождений и погоды, диагностика и т. п. К ним относят САПР (Система автоматизированного проектирования), предназначенную для решения проектных расчетных схем.

4.Информационгно-логические (интеллектуальные). Они дают возможности для решения различных исследовательских задач.

Подсистемы автоматизированных информационных систем (АИС).

Любая автоматизированная информационная система функционирует в условиях окружающей внешней среды, источника входной и выходной информации. В АИС информационный поток проходит несколько этапов обработки. Основные из них:

Здесь же производится приведение документа к определенному формату и фиксирование его на носителе, чаще бумажном.

Обеспечивается связь на расстоянии через каналы (телеграфные и телефонные сети) с терминалом (дисплей, телетайп и т. п.).

Т. е. перенос в ЭВМ и контроль ошибок.

Размещение во внешней памяти и доступ к информации обеспечивает СОХИ (система обработки и хранения данных). Она включает в себя: массивы, способы и методы их организации и внутримашинной обработки, комплекс технических и программных средств, автоматизированную систему обработки данных.

Система обработки и хранения информации (СОХИ).

Компьютер может работать в однопрограммном или, чаще всего, мультипрограммном режиме. Однопрограммный режим предусматривает два способа обработки данных:

Недостатки данного режима в том, что есть существенные затраты времени, нерационален для отладки программ, решения задач при непрерывном контакте человека и машины.

В зависимости от режимов СОХИ подразделяются на:

      1. Системы индивидуального пользования, использующие однопрограммный режим.
      2. системы коллективного пользования, использующие мультипрограммный режим.

Уовни хранения данных СОХИ

АС хранят и обрабатывают информацию об объектах реального мира.

Запись (логическая запись) – конкретная информация.

Массив – совокупность записей.

Структура данных – определенная взаимосвязь объектов и их взаимоотношения выявляемые в процессе обработки информации.

Необходимо, чтобы при манипуляции данных не нарушалась их структура, не терялся смысл взаимоотношений. Т.о. существуют три уровня организации данных:

  1. логический уровень.

    2. На этом уровне осуществляется работа с логическими структурами данных, отражающих реальные отношения, существующие между объектами и их характеристиками (т. е. указано в каком виде представлены данные пользователю).

  2. уровень хранения.

    3. Предоставление структуры данных в памяти ЭВМ.

  3. физический уровень.

Реализация структуры хранения непосредственно в конкретной памяти, конкретной ЭВМ.

Методы хранения данных в АС.

В памяти ЭВМ данные могут иметь последовательное и связное представление. Соответственно различают структуры хранения, использующие последовательное и связное представление данных.

Метод

Краткие характеристики

использование

недостатки

Последовательный список

Данные в последовательных ячейках. Физический порядок соответствует логическому

Для реализации хранения линейных структур: массив,

Матрицы, стеки, таблицы и т. д.

Дополнительные затраты на пере-запись, неэффек-тивное использо-вание памяти.

Связный список

В каждой записи дополняют поле(ссылку).

Непрерывно обновляющиеся, оперативные данные: графы, деревья, а также таблицы, стеки.

Увеличивается расход памяти под указатели.
    • Односвязный

Каждая запись содержит один указатель.
    • Многосвязный

Каждая запись содержит несколько указателей.
    • Циклический

Указатель последней записи на первую.
    • Двунаправленный

Продвижение по списку в обратном направлении

Таким образом, нельзя на первый взгляд определить, что какой-то метод представления

данных лучше, а какой-то хуже. Каждый из них имеет преимущества и недостатки и каждый из них удобен при представлении информации определенного типа. Все они существуют, а значит, они востребованы. И все же для определения эффективности метода необходимы дополнительные исследования, например влияние недостатков метода на сохранность документов,

Режимы обработки данных в АС.

Данные в виде больших массивов, объединенных в файлы и файловые системы, хранятся во внешней памяти компьютера.

Основными информационными единицами, хранящимися на ВЗУ, являются: логическая запись, физическая запись или блок, файл, том.

Существуют следующие типы файловых структур данных: последовательный, индексно-последовательный, прямой и библиотечный. Для всех типов файлов возможны три основных режима обработки данных:

Записи файла передаются на ВЗУ в ОП и обрабатываются в той последовательности, в которой размещены на носителе. Последовательность обработки не зависит от прикладных программ.

Записи передаются в ОП и обрабатываются в том порядке, которого требует прикладная программа.

В файл добавляются новые записи, удаляются устаревшие и модифицируются уже имеющиеся. Для корректировки необходим поиск нужной записи. Он осуществляется как в последовательном, так и в произвольном режиме.

Методы сортировки данных.

Процесс сортировки – просмотр последовательности данных и операции с ее элементами, проводимый циклически.

Проход – цикл сортировки.

Процесс сортировки необходим для упорядочивания данных, более удобного их представления.

В зависимости от состава технических средств, используемых в процессе сортировки, различают внешнюю и внутреннюю сортировку.

Внутренняя сортировка – если весь упорядочиваемый массив полностью помещается в ОП.

Внешняя сортировка – если объем данных массива не помещается в ОП, то он разбивается на части и отсортировывается по ним одним из методов внутренней сортировки. Затем отсортированный массив опять помещается в устройство внешней памяти

Рассмотрим основные методы внутренней сортировки.

метод

Краткие характеристики

Число сравнений

Выбора

Упорядоченная запись создается на том же месте, что и исходная. Производится выбор элементов и установка их в заданном порядке. Кол-во перестановок зависит от исходного расположения элементов.

C=

(где N-количество элементов массива).

Обмена(пузырька)

Запись на том же месте .Сравнение и обмен между соседними элементами по порядку. “всплывают” элементы в необходимом порядке.

C=0,25N

Вставки

Запись на новом месте. Элементы по порядку из исходного массива вставляются в новый в необходимом порядке.

C=0,25N

Подсчета

Запись производится на свободном месте памяти. В процессе сортировки элемент сравнивается с остальными и, если он больше элемента К, то ставится на позицию К+1,постепенно сдвигаясь

 

C=N

Шелла

Метод минимален по памяти. Высокая скорость сортировки. Здесь происходит сравнение, но не с соседними, а с элементами по шагу(скачком).Перемещение также может происходить скачком

 

С=N logN (приближенно)

Итак, также как и в анализе методов поиска, при анализе методов сортировки необходимо учитывать преимущества и недостатки метода, метод предоставления информации, количество сравнений. Таким образом можно выявить наиболее эффективный метод для данного типа информации.

Критерии выбора метода сортировки.

Массив может обладать свойствами, определяющими выбор того или иного метода сортировки.

Размер массива. Оценка количества записей позволяет понять необходимость внешней сортировки, нужно ли использовать методы, позволяющие минимальные затраты памяти.

Длина ключа и его расположение. Определяют время необходимое для выполнения операции сравнения. При этом необходимо определить есть ли прямой доступ или ключ необходимо извлечь из записи.

Вид ключей. Может потребоваться преобразование ключа если в конкретной ЭВМ нет каких-либо команд, а на это необходимо дополнительное время.

Исходное распределение данных.Если массив уже упорядочен, сортировка произойдет при минимальных затратах времени.

Длина записей. Определяет объем занимаемой ОП.

Поиск информации в массивах.

При выполнении любых операций и вычислений на ЭВМ, в течение любого процесса обработки информации неоднократно решается проблема поиска нужных данных в памяти машины. Причем скорость поиска – один из важнейших критериев поиска.

Поиск осуществляется в ответ на запрос, поступающий от пользователя или от приложений. Формализованный запрос – это аргумент поиска.

Если аргумент поиска простой и содержит один признак, по которому будет осуществляться поиск, то такой поиск называется одноаспектным.

Если аргумент содержит несколько признаков, то поиск называется многоаспектным.

Существуют следующие виды информационного поиска:

По совпадению. Выделяются записи имеющие указанные значения поименованных полей(прямое совпадение).

По интервалу. Значение записей в пределах заданных значений.

По выражению Аргументом поиска является логическое(булево) выражение. При поиске более сложных выражений, их разбивают на элементарные, т. е. приводят к простому виду.

Программный поиск- реализуется с помощью программ, составленных по определенным алгоритмам. Длительность его зависит от объема информационного массива, структуры данных, метода доступа, качества алгоритмов и программ и др.

Аппаратный поиск- реализуется аппаратными средствами. Значительно превосходит по скорости любой из программных методов, причем время его поиска не зависит не от одного из выше перечисленных факторов. Его использование может быть ограничено лишь отсутствием ассоциативных ЗУ большой емкости.

Методы поиска в информационных массивах.

Метод

Краткая характеристика

Использование и среднее кол-во сравнений

Недостати

Последовательный

Самый универсальнй и простой.Последовательная обработка каждой записи.

Возможен в любом массиве, даже неупорядоченном.

Очень длителен ив больших массивах нецелесообразен

Ускоренный

Более быстрый поиск.

В упорядоченных последовательных массивах

 

 

(N+1)/2 сравнений

 

N

Нецелесообразны в связных и неупорядоченных массивах.Записи д. б. фиксированной длины.Необходимо вычисления адреса блока.
    • Двоичный

Обращение к средней записи, затем по критерию к первой или второй половине массива и т. д.
    • Блочный

Разбивает массив на количество блоков N, затем проверка одного элемента блока,проверка искомого блока.

По двоичному дереву

Поиск происходит в направлкнии указателя.Возможно в процессе включение и исключение записей.Вычисление адреса очередной записи не нужно

В связных массивах или двоичном дереве.

 

logN

  

Прямой доступ

Преобразование ключа в адрес:поиск по адресу.

Используется для больших массивов

Только аднооаспектный поиск по адресу.

Таким образом процесс обработки информации в информационных массивах сводится к правильной организации хранения, сортировке и поиску информации, обеспечивающей ее достоверность и целостность при запросах пользователя.

Перспективы развития и возможность перерастания в исследовательскую.

Создание и внедрение принципиально новых вычислительных машин – ЭВМ пятого поколения – откроет новые перспективы в организации и использовании автоматизированных систем обработки информации.

Большой объем памяти и высокая производительность ЭВМ пятого поколения, повышенный уровень их “интеллекта” позволят соотносить данные и элементы данных почти в такой же степени, как это делают люди. Создание системы программных и аппаратных средств, обеспечивающих простое и удобное для человека общение с ЭВМ, позволит ему в кратчайшие сроки вырабатывать навыки работы с машиной.

Возможно, машины будут понимать обращенную к ним человеческую речь, а также воспринимать другие формы общения: рукописный текст, графические изображения и др.

Высокая интеллектуальность систем позволит способность улавливать смысл сообщений, отвечать на вопросы, выдвигать предположения, подсказки.

Внедрение таких автоматизированных систем обработки и хранения информации позволит достичь высоких результатов в различных отраслях хозяйства, экономики, будет способствовать развитию научно-технического прогресса и повышению возможностей и интеллекта людей.

Возможность использования результатов работы на практике.

Как было рассмотрено выше, существует множество методов сортировки и поиска информации в автоматизированных системах. В рассмотренных мною таблицах указываются преимущества и недостатки методов, их характеристики. В результате сопоставления этих данных, можно выявить критерии выбора метода для представления тех или иных данных: текстовая информация, числовые данные, графическая информация и т. д. Эти критерии необходимы для практического применения их пользователем.

 

Возможные темы науно-исследовательских работ:

(В зависимости от характеристик метода обосновывается его практическое применение)

(Перспективы развития ЭВМ открывают новые возможности управления информацией и расширение области ее применения.)

(Данная тема перекликается с темой исследований в области построения ЭВМ пятого поколения.)

(Две данные темы тесно перекликаются и рассматривают причины нарушения и способы повышения достоверности и целостности информации.)

(Критерии выбора того или иного вида справочника необходимы при работе с информацией на практике.)

 

1.Несомненно, движущийся вперед технический прогресс, вскоре позволит нам наблюдать развитие ЭВМ пятого поколения, ЭВМ более высокого уровня, более “интеллектуальных” систем. Это системы, которые, возможно, будут понимать человеческую речь, графику и т. д.

Я думаю, что первым шагом в данном направлении должно быть исследование в области организации запоминающих устройств, в частности, ассоциативного устройства и ассоциативной памяти. Это первое, что наводит меня на мысль об “интеллектуальности” системы т. к. данное устройство позволяет поиск информации не по номеру ячейки, а по некоторому признаку. Хотя мы знаем, что в основе этого метода тоже лежит только цифровая информация, информация, которую может понимать машина, неопытному пользователю это невдомек и у него может создаваться впечатление о способности машины мыслить.

2. Информационные массивы размещаются на устройствах памяти ЭВМ. От того насколько правильно выбраны устройства памяти и способы размещения на них информации, зависят показатели качества функционирования СОХИ и всей ИС в целом: скорость реализации запросов, полнота и точность выдачи информации, экономические показатели. Зачастую простому пользователю нелегко сразу опред6елить свой выбор, поэтому возможно создание тест- программы, которая будет автоматически с учетом всех характеристик устро2йства комплектовать его с другими техническими устройствами компьютера.

 

Данный материал может быть применен в качестве примера для курсового проектирования, если к нему добавить материал по изучению устройств внешней памяти ЭВМ; используемых носителей информации, как устройств хранения данных; устройств ввода-вывода информации; каналов связи и т. д.

Литература:

Используются технологии uCoz