Исполнители алгоритмов - человек и автомат

Исполнителем называется некоторая биологическая, техническая или смешанная структура, способная исполнять (покомандно или программно) некоторый класс алгоритмов в некоторой операционной среде (некотором множестве допустимых "инструментов" и "команд").

Наиболее используемые типы исполнителя алгоритмов – человек или автомат (компьютер).

Человек как исполнитель алгоритмов – совокупность исполняющих подсистем (мышечная, двигательная, зрительная, обонятельная и др.) и управляющей подсистемы (нервная, нейронная).

Нервная система передает информацию, получаемую от нервных окончаний кожи, глаз, ушей и других органов, к нервным центрам для ее последующей интеграции, обработки и выработке адекватной реакции. Нервная система – совокупность взаимодействующих нервных клеток или нейронов. У человека их – громадное количество.

Пример. По различным оценкам физиологов, в коре переднего мозга человека – около 50 млрд нейронов. Нейроны, хотя и работают медленно (около сотни инструкций в секунду), но могут за счет более эффективного взаимодействия друг с другом и организации сложнейших нейроструктурных связей (кластеров) решать сложные мыслительные задачи, принимать решения.

Пример. Такая плохо структурируемая, но "простая" для человека задача, как "одеться по погоде", решается быстро с помощью обработки зрительной, слуховой информации и согласованной "нейронной" оценки ситуации, хотя она и плохо формализуемая. Компьютеру эту задачу решать будет намного сложнее. С другой стороны, вычислительные ресурсы человека ограничены по сравнению с возможностями компьютера, который во много раз лучше (быстрее, точнее) решает хорошо формализуемые и хорошо структурируемые задачи.

Нейроны служат для передачи информации за счет нервных импульсов, которая расшифровывается в соответствующих областях коры головного мозга.

В непосредственную ( сенсорную ) память человека поступает информация от различных сенсоров: зрительных, слуховых, обонятельных и т.д. Затем эта информация переводится в оперативную память ( память сознания ). Далее она пересылается в долговременную память с привлечением подсознания ("укладывается на полочки" с соответствующими названиями "Формы поведения", "Объекты и образы", "Правила и процедуры обнаружения и идентификации объектов", "Правила выборки и организации информации", "Жизненный опыт", "Бытовые навыки и умения", "Профессиональные навыки и умения" и др.).

Пример. Увиденный человеком конкретный компьютер ассоциируется с абстрактным понятием "Компьютер" (из долговременной памяти) – например со сведениями об этом устройстве – информационными кодами, которые определяют объект (связь, понятие). Коды связываются между собой, создавая образ конкретного компьютера.

В живом организме передача, хранение или обработка информации происходит с помощью биохимических реакций и сообщений – сигнальных молекулярных систем и их превращений за счет химических реакций катализа и разностей концентрации химических веществ. Разность потенциалов действий (электрические сигналы) проводят нервные волокна, с помощью центральной нервной системы. При этом используется и генная информация, которая передается от ДНК к РНК, от РНК – к белку, определяя новую белковую структуру, ее функции.

Второй важный тип исполнителей – конечные автоматы, автоматические (то есть функционирующие определенный промежуток времени без участия человека ) устройства, вход, выход и состояния которых можно описать конечными последовательностями сообщений (слов над конечными алфавитами).

Любой конечный автомат реализует некий непустой класс алгоритмов и состоит из совокупности управляющего автомата, который определяет порядок выполнения действий, и операционного автомата, реализующего сами действия, выполняемые автоматом.

Пример. Пример конечного автомата – автомат для продажи газированной воды. Его функционирование можно изобразить графом (рис. 10.1), если ввести следующие множества и события:

– входное множество,

Y = {В, С, О} – выходное множество,

S = {s₀ , s₁ , s₂ , s₃} – множество состояний,

1 – входной сигнал "опустить 1 руб.",

3 – входной сигнал "опустить 3 руб.",

Г – входной сигнал "опустить гнутую монету",

– входной сигнал "монета не опущена",

В – выходной сигнал "выдача воды газированной без сиропа",

С – выходной сигнал "выдача газированной воды с сиропом",

О – выходной сигнал "отказ выдать воду",

s₀ – первое состояние – "начальное состояние",

s₁ – второе состояние – "обработка 1 руб.",

s₂ – третье состояние – "обработка 3 руб.",

s₃ – четвертое состояние – "состояние неисправности".

Рис. 10.1. Граф автомата для продажи газированной воды

Функционирование конечного автомата происходит в дискретные моменты времени t = 0, 1, 2, ..., T. Изменение состояния автомата , то есть переход из текущего состояния в новое состояние , может быть осуществлено либо до выдачи выходного сигнала , либо – после выдачи этого сигнала. В связи с этим, выделяют два типа конечных автоматов – автоматы Мили и автоматы Мура, которые различаются законами функционирования автоматов.

Законы функционирования автомата Мили:

Законы функционирования автомата Мура:

Функция выходов f автомата Мура явно не зависит от входного сигнала и полностью определяется только самим внутренним состоянием автомата, которое, в свою очередь, определяется входным сигналом.

Пример. Пример конкретного автомата Мура приведен выше ( автомат для газировки). Приведем абстрактный пример автомата Мили: Х = {х₁, х₂} , У = {у₁, у₂, у₃} , S = {s₀, s₁, s₂, s₃, s₄, s₅} , функции перехода и выхода f зададим таблицами соответствий:

– функция перехода

s(t – 1)	S1	s1	s2	s3	s3	s4	s5
x(t)	Х1	х2	x1	x2	x1	x2	х2	x1
s(t)	S2	s3	s4	s2	s4	s3	s5	s5

– функция выхода

s(t – 1)	S1	s1	s2	s2	s3	s3	s4	s5
x(t)	X1	x2	x1	x2	x1	х2	х2	х1
y(t)	У2	у3	y1	y1	y3	у2	у3	y2

Компьютер можно рассматривать как совокупность взаимодействующих конечных автоматов. Рассмотрим такую структуру подробнее.

Память компьютера – последовательность ячеек памяти, то есть физических устройств, куда можно записывать или считывать последовательность битов, каждый из которых хранится в нужном разряде.

Пример. Запишем числа 13₁₀, в формате целых чисел в восьмиразрядную ячейку памяти запишется в виде (старший бит будет содержать бит знака числа, например, 1 – если число отрицательно и 0 – если число положительно). Учитывая, что 13₁₀ = 1101₂, получаем представление вида:

Аналогичным образом представляются в памяти компьютера и вещественные числа: либо по частям (целая часть – отдельно, дробная – отдельно), либо в специальной, так называемой нормализованной форме, для которой хранится отдельно дробная часть (мантисса) и порядок – степень двойки, домножением на которую можно записать данное число.

Пример. Если десятичное число равно 5,25, то есть в двоичной форме – 101,01, то оно записывается в нормализованной форме: 0,10101 с порядком, равным в двоичном виде 101.

Команды, как и числа, размещаются (в битовом изображении) в специальных электронных устройствах – так называемых регистрах.

Регистр – электронное устройство, как и ячейка памяти, запоминающее и хранящее (временно) последовательность битов определенной длины. Регистры реализуются более дорогими и чувствительными физическими устройствами и поэтому, по сравнению с основной памятью компьютера, регистровая память или так называемая кэш-память – невелика.

Пример. Для компьютера с памятью 512 мегабайт основной памяти может быть характерна регистровая память в 64 килобайта.

Каждой команде ставится в соответствие операция, производится расшифровка кода этой операции, затем извлекаются операнды или числа, над которыми необходимо выполнить операцию. Далее выполняется операция с этими операндами, и результат операции помещается в соответствующую ячейку памяти.

Кроме оперативной памяти, компьютер имеет внешнюю память (ВЗУ) с большой емкостью, но с большим временем записи или считывания информации. Внешняя память реализуется с помощью внешних носителей информации: магнитных или оптических дисков.

Джон фон Нейман предложил ряд принципов, которые легли в основу фон Неймановской или классической архитектуры компьютера:

1. память состоит из однородных ячеек памяти с адресами;
2. программа состоит из последовательных команд;
3. хранение программы и обрабатываемых ею данных – одинаковое, в битовом виде;
4. команды выполняются последовательно, данные извлекаются в соответствии с командами;
5. процессор – один и имеет централизованное управление и доступ к памяти.