Способы организации, обработки и процесс хранения информации

Лекция№19 Способы организации и обработки информации Информацияпроявляетсявинформационныхпроцессах.Подинформационнымипроцессамипонимаютсялюбыедействиясинформацией.Вструктуревозможныхоперацийсинформациейможновыделитьследующие: • поиск—извлечениехранимойинформации; • сбор—накоплениеинформациисцельюобеспечениядостаточнойполнотыдляпринятиярешений; • формализация—приведениеданных,поступающихизразличныхисточников,кодинаковойформе,чтобысделатьихсопоставимымимеждусобой; • фильтрация—отсеивание"лишних"данных,вкоторыхнетнеобходимостидляпринятиярешения; • сортировка—упорядочениеданныхпозаданномупризнакусцельюудобстваиспользования;повышаетдоступностьинформации; • архивацияданных—организацияхраненияданныхвудобнойилегкодоступнойформе;служитдлясниженияэкономическихзатратпохранениюданныхиповышаетобщуюнадежностьинформационногопроцессавцелом; • защитаданных—комплексмер,направленныхнапредотвращениеутраты,воспроизведенияимодификацииданных; • транспортировкаданных—приемипередачаданныхмеждуудаленнымиучастникамиинформационногопроцесса; • преобразованиеданных—переводданныхизоднойформывдругуюилиизоднойструктурывдругую. Этодалеконеполныйсписоктиповыхоперацийсданными.Полныйсписокоперацийсинформациейсоставитьневозможно,даиненужно.Существуюттриосновныхтипаинформационныхпроцессов,которыекаксоставляющиеприсутствуютвлюбыхдругихболеесложныхпроцессах.Этохранениеинформации,передачаинформациииобработкаинформации. Процессхраненияинформации Схранениеминформациисвязаныследующиепонятия:носительинформации(память),внутренняяпамять,внешняяпамять,хранилищеинформации. Носительинформации—этофизическаясреда,непосредственнохранящаяинформацию.Основнымносителеминформациидлячеловекаявляетсяегособственнаябиологическаяпамять(мозгчеловека).Собственнуюпамятьчеловекаможноназватьоперативной("быстрой")памятью.Собственнуюпамятьещеможноназватьвнутреннейпамятью,посколькуееноситель—мозг—находитсявнутринас. Всепрочиевидыносителейинформацииможноназватьвнешними(поотношениюкчеловеку).Видыэтихносителейменялисьсовременем:камень,дерево,папирус,бумага,магнитные,оптическиеносителиинформации. Хранениебольшихобъемовинформацииоправданотолькоприусловии,еслипоискнужнойинформацииможноосуществитьдостаточнобыстро,асведенияполучитьвдоступнойформе. Хранилищеинформации—этоопределеннымобразоморганизованнаяинформациянавнешнихносителях,предназначеннаядлядлительногохраненияипостоянногоиспользования.Примерамихранилищявляютсяархивыдокументов,библиотеки,справочники,картотеки.Основнойинформационнойединицейхранилищаявляетсяопределенныйфизическийдокумент:анкета,книга,дело,досье,отчетипр.Подорганизациейхранилищапонимаетсяналичиеопределеннойструктуры,т.е.упорядоченность,классификацияхранимыхдокументов.Такаяорганизациянеобходимадляудобстваведенияхранилища:пополненияновымидокументами,удаленияненужных,поискаинформацииипр. Основныесвойствахранилищаинформации:объемхранимойинформации,надежностьхранения,времядоступа(т.е.времяпоисканужныхсведений),наличиезащитыинформации. Информацию,хранимуюнаустройствахкомпьютернойпамяти,принятоназыватьданными.Дляописанияхраненияданныхвкомпьютереиспользуютсятежепонятия:носитель,хранилищеданных,организацияданных,времядоступа,защитаданных.Организованныехранилищаданныхнаустройствахвнешнейпамятикомпьютерапринятоназыватьбазамиданныхибанкамиданных. Процессобработкиинформации Общаясхемапроцессаобработкиинформациивыглядиттак: Впроцессеобработкиинформациирешаетсянекотораяинформационнаязадача,длякоторойдолжнобытьопределенаисходнаяинформация(некоторыйнаборисходныхданных)иитоговаяинформация(требуемыерезультаты).Процесспереходаотисходныхданныхкрезультатуиестьпроцессобработки.Тотобъектилисубъект,которыйосуществляетобработку,можетбытьназванисполнителемобработки.Исполнительможетбытьчеловекомилитехническимустройством,втомчислекомпьютером. Дляуспешноговыполненияобработкиинформацииисполнителюдолженбытьизвестенспособобработки,т.е.последовательностьдействий,которуюнужновыполнить,чтобыдостичьнужногорезультата.Описаниетакойпоследовательностидействийвинформатикепринятоназыватьалгоритмомобработки. Можновыделитьдватипаобработкиинформации. • Первыйтипобработки:обработка,связаннаясполучениемновойинформации,новогосодержаниязнаний.Кэтомутипуобработкиотноситсярешениеразличныхзадачпутемприменениялогическихрассуждений. • Второйтипобработки:обработка,связаннаясизменениемформы,нонеизменяющаясодержания.Например,переводтекстасодногоязыканадругой. Важнымвидомобработкидляинформатикиявляетсякодирование.Кодированиеинформации—этопреобразованиеинформациивсимвольнуюформу,удобнуюдляеехранения,передачи,обработки.Кодированиеиспользуетсявтехническихсредствахработысинформацией(телеграф,радио,компьютеры). Другойвидобработкиинформацииструктурированиеданных.Структурированиесвязаносвнесениемопределенногопорядка,определеннойорганизациивхранилищеинформации.Расположениеданныхвалфавитномпорядке,группировкапонекоторымпризнакамклассификации,использованиетабличногоилиграфовогопредставления—всеэтопримерыструктурирования. Ещеодинважныйвидобработкиинформации—поиск.Задачапоискаобычноформулируетсятак:имеетсянекотороехранилищеинформации-информационныймассив(телефонныйсправочник,словарьипр.),требуетсянайтивнемнужнуюинформацию,удовлетворяющуюопределеннымусловиямпоиска(телефонданнойорганизации,переводданногословаипр.).Алгоритмпоисказависитотспособаорганизацииинформации.Еслиинформацияструктурирована,топоискосуществляетсябыстрее,можнопостроитьоптимальныйалгоритм. Процесспередачиинформации Схематичнопроцесспередачиинформациипоказаннарисунке.Приэтомпредполагается,чтоимеетсяисточникиполучательинформации.Сообщениеотисточникакполучателюпередаетсяпосредствомканаласвязи(информационногоканала). Втакомпроцессеинформацияпредставляетсяипередаетсявформенекоторойпоследовательностисигналов,символов,знаков.Например,принепосредственномразговоремеждулюдьмипроисходитпередачазвуковыхсигналов-речи,причтениитекстачеловеквоспринимаетбуквы—графическиесимволы.Передаваемаяпоследовательностьназываетсясообщением.Отисточникакприемникусообщениепередаетсячерезнекоторуюматериальнуюсреду(звук-акустическиеволныватмосфере,изображение—световыеэлектромагнитныеволны).Есливпроцессепередачииспользуютсятехническиесредствасвязи,тоихназываютканаламипередачиинформации(информационнымиканалами).Книмотносятсятелефон,радио,телевидение. Можноговоритьотом,чтоорганычувствчеловекавыполняютрольбиологическихинформационныхканалов.Сихпомощьюинформационноевоздействиеначеловекадоноситсядопамяти. АмериканскимученымКлодомШенноном,однимизоснователейтеорииинформации,былапредложенасхемапроцессапередачиинформациипотехническимканаламсвязи,представленнаянарисунке. Работутакойсхемыможнопояснитьнапроцессеразговорапотелефону.Источникоминформацииявляетсяговорящийчеловек.Кодирующимустройством—микрофонтелефоннойтрубки,спомощьюкоторогозвуковыеволны(речь)преобразуютсявэлектрическиесигналы.Каналомсвязиявляетсятелефоннаясеть(провода,коммутаторытелефонныхузловчерезкоторыепроходитсигнал)).Декодирующимустройствомявляетсятелефоннаятрубка(наушник)слушающегочеловека—приемникинформации.Здесьпришедшийэлектрическийсигналпревращаетсявзвук. Связь,прикоторойпередачапроизводитсявформенепрерывногоэлектрическогосигнала,называетсяаналоговойсвязью. Подкодированиемпонимаетсялюбоепреобразованиеинформации,идущейотисточника,вформу,пригоднуюдляеепередачипоканалусвязи. Внастоящеевремяширокоиспользуетсяцифроваясвязь,когдапередаваемаяинформациякодируетсявдвоичнуюформу(0и1-двоичныецифры),азатемдекодируетсявтекст,изображение,звук.Цифроваясвязьявляетсядискретной. Термином"шум"называютразногородапомехи,искажающиепередаваемыйсигналиприводящиекпотереинформации.Такиепомехи,преждевсего,возникаютпотехническимпричинам:плохоекачестволинийсвязи,незащищенностьдруготдругаразличныхпотоковинформации,передаваемойпооднимитемжеканалам.Втакихслучаяхнеобходимазащитаотшума. Впервуюочередьприменяютсятехническиеспособызащитыканаловсвязиотвоздействияшумов.Например,использованиеэкранногокабелявместо"голого"провода;применениеразногородафильтров,отделяющихполезныйсигналотшумаипр. КлодомШеннономбыларазработанаспециальнаятеориякодирования,дающаяметодыборьбысшумом.Однаизважнымидейэтойтеориисостоитвтом,чтопередаваемыйполиниисвязикоддолженбытьизбыточным.Засчетэтогопотерякакой-точастиинформацииприпередачеможетбытькомпенсирована. Однако,нельзяделатьизбыточностьслишкомбольшой.Этоприведеткзадержкамиподорожаниюсвязи.ТеориякодированияК.Шеннонакакразипозволяетполучитьтакойкод,которыйбудетоптимальным.Приэтомизбыточностьпередаваемойинформациибудетминимально-возможной,адостоверностьпринятойинформации-максимальной. В современных системах цифровой связи часто применяется следующий прием борьбы с потерей информации при передаче. Все сообщение разбивается на порции-блоки. Для каждого блока вычисляется контрольная сумма(сумма двоичных цифр),которая передается вместе с данным блоком. Вместе приема заново вычисляется контрольная сумма принятого блока, и если она не совпадает с первоначальной, то передача данного блока повторяется. Так будет происходить до тех пор, пока исходная и конечная контрольные суммы не совпадут. Скоростьпередачиинформации—этоинформационныйобъемсообщения,передаваемоговединицувремени.Единицыизмеренияскоростиинформационногопотока:бит/с,байт/сидр. Техническиелинииинформационнойсвязи(телефонныелинии,радиосвязь,оптико-волоконныйкабель)имеютпределскоростипередачиданных,называемыйпропускнойспособностьюинформационногоканала.Ограничениянаскоростьпередачиносятфизическийхарактер. Одинизосновныхфакторов,определяющихразвитиевычислительнойтехникивцеломивычислительныхсистемвчастности,–этовысокаяпроизводительность.Общийметодувеличенияпроизводительности–организацияпараллельнойобработкиинформации,т.е.одновременноерешениезадачилисовмещениевовремениэтаповрешенияоднойзадачи. Способыорганизации.Вовсеммногообразииспособоворганизациипараллельнойобработкиможновыделитьтриосновныхнаправления: • совмещениевовремениразличныхэтаповразныхзадач; • одновременноерешениеразличныхзадачпличастейоднойзадачи; • конвейернаяобработкаинформации. Первыйпуть–совмещениевовремениэтаповрешенияразныхзадач–этомультипрограммнаяобработкаинформации.МультипрограммнаяобработкавозможнадажеводнопроцессорнойЭВМиширокоиспользуетсявсовременныхСОД.Второйпуть–одновременноерешениеразличныхзадачиличастейоднойзадачи–возможентолькоприналичиинесколькихобрабатывающихустройств.Приэтомиспользуютсятеилииныеособенностизадачилипотоковзадач,чтопозволяетосуществитьтотилиинойпараллелизм.Можновыделитьнесколькотиповпараллелизма,отражающихэтиособенности. Естественныйпараллелизмнезависимыхзадачзаключаетсявтом,чтовсистемупоступаетнепрерывныйпотокнесвязанныхмеждусобойзадач,т.е.решениелюбойзадачинезависитотрезультатоврешениядругихзадач.Вэтомслучаеиспользованиенесколькихобрабатывающихустройствприлюбомспособекомплексирования(косвенномилипрямом)повышаетпроизводительностьсистемы. Параллелизмнезависимыхветвей–одинизнаиболеераспространенныхтиповпараллелизмавобработкеинформации.Сутьегозаключаетсявтом,чтоприрешениибольшойзадачимогутбытьвыделеныотдельныенезависимыечасти–ветвипрограммы,которыеприналичиинесколькихобрабатывающихустройствмогутвыполнятьсяпараллельноинезависимодруготдруга.Двумянезависимымиветвямипрограммыбудемсчитатьтакиечастизадачи,привыполнениикоторыхвыполняютсяследующиеусловия: • ниоднаизвходныхдляветвипрограммывеличиннеявляетсявыходнойвеличинойдругойпрограммы(отсутствиефункциональныхсвязей); • дляобеихветвейпрограммынедолжнапроизводитьсязаписьводниитежеячейкипамяти(отсутствиесвязипоиспользованиюоднихитехжеполейоперативнойпамяти); • условиявыполненияоднойветвинезависятотрезультатовилипризнаков,полученныхпривыполнениидругойветви(независимостьпоуправлению); • обеветвидолжнывыполнятьсяпоразнымблокампрограммы(программнаянезависимость). Хорошеепредставлениеопараллелизменезависимыхветвейдаетярусно-параллельнаяформапрограммы,примеркоторойприведеннарис.1.Программапредставленаввидесовокупностиветвей,расположенныхвнесколькихуровнях–ярусах.Кружкамисцифрамивнутриобозначеныветви.Длинаветвипредставляетсяцифрой,стоящейоколокружка.Стрелкамипоказанывходныеданныеирезультатыобработки.Входныеданныеобозначаютсясимволомх,выходныеданные–символому.Символыхимеютнижниецифровыеиндексы,означающиеномеравходныхвеличин;символыуимеютцифровыеиндексыивнизуивверху;цифравверхусоответствуетномеруветви,привыполнениикоторойполученданныйрезультат,ацифравнизуозначаетпорядковыйномеррезультата,полученногоприреализацииданнойветвипрограммы. Рис.1.Ярусно-параллельнаяформапрограммы Изображеннаянарисункепрограммасодержит14ветвей,расположенныхна5ярусах.Ветвикаждогоярусанесвязаныдругсдругом,т.е.результатырешениякакой-либоветвиданногоярусанеявляютсявходнымиданнымидлядругойветвиэтогожеяруса.Наэтомжеграфемогутбытьизображеныисвязипоуправлениюилипамяти.Вэтомслучаеграфпозволяетнагляднопоказатьполностьюнезависимыеветви.Дляпростотыизображениямыэтогонеделаем. Напримереэтой,вобщемдостаточнопростойпрограммы,можновыявитьпреимуществавычислительнойсистемы,включающейнесколькообрабатывающихустройств,ипроблемы,которыеприэтомвозникают. Примем,чтодлинаi-йветвипредставляетсячисломвременныхединицti,которыетребуютсядляееисполнения.Тогданетрудноподсчитать,чтодляисполнениявсейпрограммыпотребуетсяединицвремени.Еслипредставить,чтопрограммавыполняетсядвумяобрабатывающимиустройствами,работающиминезависимодруготдруга,товремярешениязадачисократится.Однакоэтовремя,какнетрудновидеть,будетразличнымвзависимостиотпоследовательностивыполнениянезависимыхветвей. Рассмотримтривариантавыполнениипрограммыярусно–параллельнойформы(рис.2.1). Вариант1.Процессор1выполняетветви1–4–5–9–10–13,процессор2–ветви2–6–3–7–8–11–12–14.Приэтомпроцессор1затрачивает260единицвремени,изкоторых55простаивает,таккакнеготовыданныедляветви13.Процессор2затрачивает230единицвремени. Вариант2.Процессор1выполняетветви1–4–5–9–10–11–13,процессор2-ветви2–6–3–7–8–12–14.Приэтомпроцессор1затрачивает245единицвремени,изкоторых25простаиваетпотойжепричине,чтоивварианте1.Процессор2затрачивает215единицвремени. Вариант3.Процессор1выполняетветви1–4–8–12–11–13,процессор2–ветви2–5–6–3–7–9–10–14.Приэтомпроцессор1затрачивает235,апроцессор2–205единицвремени,изкоторых5онпростаивает. Сравнениеэтихвариантовпоказываетследующее.Вовсехслучаяхвремя,черезкотороедвухпроцессорнаясистемавыдаетрезультаты,,существенносокращается:вместо435единицвременирезультатывыдаютсявпервомвариантечерез260,вовтором–через245ивтретьем–через235единицвремени,т.е.впоследнемслучаевремярешениязадачиуменьшаетсяв1,85раза.Выигрышповремениможетсущественноколебатьсявзависимостиотпоследовательностивыполненияветвейкаждымпроцессором(читательприжеланииможетпостроитьидругиевариантырешениязадачи),поэтомупроцессордолженвыбиратьновуюветвьсучетомэтогообстоятельства.Прирешениизадачикаждыйпроцессорпередначаломвыполненияочереднойветвидолжениметьинформациюоготовностиданныхдляэтого. Такимобразом,длятогочтобыспомощьюнесколькихобрабатывающихустройстврешитьзадачу,имеющуюнезависимыепараллельныеветви,необходимасоответствующаяорганизацияпроцесса,котораяопределяетпутирешениязадачиивырабатываетнеобходимуюинформациюоготовностикаждойветви.Заметим,чтовсеэтоотносительнолегкореализоватьтогда,когдаизвестнадостаточноточнодлительностьвыполнениякаждойветви.Напрактикеэтобываеткрайнередко:влучшемслучаеизвестнаприближеннаядлинаветвей.Поэтомуорганизацияоптимальногоилиблизкогокоптимальномуграфикаработыявляетсядостаточносложнойзадачей. Заметим,что,какправило,трудноизбежатьнекоторыхпростоев,которыевозникаютиз-заотсутствияисходныхданныхдлявыполнениятойилиинойветви.Всеэтоприводитвконечномсчетектому,чтовыигрышвпроизводительностисистемынесколькоснижается.Следуетотметитьтакжеиопределенныесложности,связанныесвыделениемнезависимыхветвейприразработкепрограмм.Вместестемприрешениимногихсложныхзадачтолькопрограммированиесвыделениемнезависимыхветвейпозволяетсущественносократитьвремярешения. Параллелизмобъектовилиданныхимеетместотогда,когдапооднойитойже(илипочтипооднойитойже)программедолжнаобрабатыватьсянекотораясовокупностьданных,поступающихвсистемуодновременно. Этомогутбыть,например,задачиобработкисигналовотрадиолокационнойстанции:всесигналыобрабатываютсяпооднойитойжепрограмме.Другойпример–обработкаинформацииотдатчиков,измеряющиходновременноодинитотжепараметриустановленныхнанесколькиходнотипныхобъектах.Программыобработкиданныхмогутбытьразличногообъемаисложности,начинаяоточеньпростых,содержащихнесколькоопераций,добольших Третийпутьпараллельнойобработкиинформации–конвейернаяобработка–можетбытьреализованвсистемеисоднимпроцессором,разделеннымнанекотороечислопоследовательновключенныхоперационныхблоков,каждыйизкоторыхспециализированнавыполнениистрогоопределеннойчастиоперации.Приэтомпроцессорработаеттакимобразом:когдаi-йоперационныйблоквыполняетi-очастьj-йоперации,(i–1)-йоперационныйблоквыполняет(i–1)-ючасть(j+1)-йоперации,а(i+1)-иоперационныйблоквыполняет(i+1)-ючасть(j–1)-йоперации.Врезультатеобразуетсясвоегородаконвейеробработки,которыйхорошоможетбытьпроиллюстрированследующимпростымпримером. Рис.2.Структурнаясхемаконвейераопераций Операциюсложениядвухчиселсплавающейзапятойможноразделитьначетырепоследовательноисполняемыхэтапа,илишага:сравнениепорядков(СП);выравниваниепорядков–сдвигмантиссысменьшимпорядкомдлявыравниваниясмантиссойсбольшимпорядком(ВП);сложениемантисс(СМ);нормализациярезультата(НР). Надосказать,чтоконвейеркомандприменяетсяужедавновобычныхЭВМ.Приэтомциклвыполнениякомандыразбиваетсянарядэтапов,например,формированиеадресакоманды(ФАК),выборкакомандыизпамяти(ВК),расшифровкакодаоперации(РКО),формированиеадресаоперанда(ФАО),выборкаоперандаизпамяти(ВО)и,наконец,арифметическаяилилогическаяоперация(АЛО).Вустройствеуправленияпредусматриваютсяблоки,которыенезависимодруготдругаипараллельномогутвыполнятьуказанныеэтапы. Ввычислительныхсистемахможноодновременноиспользоватьиконвейеркоманд,иконвейерарифметическихопераций,идаженесколькопараллельноработающихконвейеровкомандиарифметическихопераций.Впоследнемслучаеможетбытьполученаоченьвысокаяпроизводительностьсистемы.Именнопотакомупринципупостроенысамыебыстродействующиевычислительныесистемы.