Моделирование устройства обработки и сжатия данных. Гукасян К.А вариант 2. Фгбоу впо бгпу им. М. Акмуллы Институт профессионального образования и информационных технологий Кафедра информационных систем и технологий Направление 09. 03. 02 Информационные системы и технологии Группа
 Скачать 1.23 Mb.
|
ВВЕДЕНИЕНа сегодняшний день сжатие информации является достаточно важной процедурой, которая необходима каждому пользователю ПК. Сегодня любой пользователь может позволить себе приобрести современный накопитель данных, в котором предусмотрена возможность использования большого объема памяти. Подобные устройства, как правило, оснащаются высокоскоростными каналами для транслирования информации. Однако, стоит отметить, что с каждым годом объем необходимой пользователям информации становится все больше и больше. Всего десять лет назад объем стандартного видеофильма не превышал 700 Мегабайт. Сегодня объем фильмов в HD-качестве может достигать нескольких десятков гигабайт. Очень часто бывают ситуации, когда нужно переслать большой объем данных по электронной почте. Благодаря сжатию можно существенно уменьшить размер передаваемых файлов. Особенно оценят преимущества данной процедуры те пользователи, которые используют для пересылки информации мобильные устройства. Процедура сжатия часто используется для уменьшения объема документов, используемых для публикации на различных интернет -ресурсах. Это позволяет значительно сэкономить на трафике. Если нет возможности добавить в систему новые средства для хранения информации, можно использовать процедуру сжатия для экономии свободного пространства на диске. Бывает так, что бюджет пользователя крайне ограничен, а свободного пространства на жестком диске не хватает. Вот тут-то на помощь и приходит процедура сжатия. Кроме перечисленных выше ситуаций, возможно еще огромное количество случаев, в которых процесс сжатия данных может оказаться очень полезным. Мы перечислили только самые распространенные. Объект исследования: моделирование сложных систем. Предмет исследования: устройства обработки и сжатия данных. Цель работы: построить компьютерную установку в виде имитационной модели. Задание: Из трех источников информации А, В и С данные поступают на блок отбраковки данных. После отбраковки на блок сжатия поступает 80% данных. В блоке сжатия данных выполняется операция сжатия данных, в результате которой выходной поток второго блока уменьшается на 90% по сравнению с входным. После этого данные поступают в блок обработки. Из трех источников информации А, В и С данные поступают на блок отбраковки данных. После отбраковки на блок сжатия поступает 80% данных. В блоке сжатия данных выполняется операция сжатия данных, в результате которой выходной поток второго блока уменьшается на 90% по сравнению с входным. После этого данные поступают в блок обработки Задачи исследования: Спроектировать структурную схему имитационной модель; Разработать имитационную модель в среде расширенного редактора GPSSW; Провести отладку и проверить адекватность модели; Сделать анализ полученных результатов моделирования. Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ1.1 Имитационное моделирование Имитационное моделирование — это метод исследования, при котором изучаемая система заменяется моделью, с достаточной точностью, описывающей реальную систему, с которой проводятся эксперименты с целью получения информации об этой системе. Экспериментирование с моделью называют имитацией (имитация — это постижение сути явления, не прибегая к экспериментам на реальном объекте). К имитационному моделированию прибегают, когда: дорого или невозможно экспериментировать на реальном объекте; невозможно построить аналитическую модель: в системе есть время, причинные связи, последствие, нелинейности, стохастические (случайные) переменные; необходимо сымитировать поведение системы во времени. Цель имитационного моделирования состоит в воспроизведении поведения исследуемой системы на основе результатов анализа наиболее существенных взаимосвязей между ее элементами в предметной области для проведения различных экспериментов. Имитационное моделирование позволяет имитировать поведение системы во времени. Причём плюсом является то, что временем в модели можно управлять: замедлять в случае с быстропротекающими процессами и ускорять для моделирования систем с медленной изменчивостью. Можно имитировать поведение тех объектов, реальные эксперименты с которыми дороги, невозможны или опасны. В настоящее время выделяют три направления имитационных моделей: Агентное моделирование — относительно новое (1990е-2000е гг.) направление в имитационном моделировании, которое используется для исследования децентрализованных систем, динамика функционирования которых определяется не глобальными правилами и законами (как в других парадигмах моделирования), а наоборот. Когда эти глобальные правила и законы являются результатом индивидуальной активности членов группы. Цель агентных моделей — получить представление об этих глобальных правилах, общем поведении системы, исходя из предположений об индивидуальном, частном поведении ее отдельных активных объектов и взаимодействии этих объектов в системе. Агент — некая сущность, обладающая активностью, автономным поведением, может принимать решения в соответствии с некоторым набором правил, взаимодействовать с окружением, а также самостоятельно изменяться. Дискретно-событийное моделирование — подход к моделированию, предлагающий абстрагироваться от непрерывной природы событий и рассматривать только основные события моделируемой системы, такие как: «ожидание», «обработка заказа», «движение с грузом», «разгрузка» и другие. Дискретно-событийное моделирование наиболее развито и имеет огромную сферу приложений — от логистики и систем массового обслуживания до транспортных и производственных систем. Этот вид моделирования наиболее подходит для моделирования производственных процессов. Системная динамика — парадигма моделирования, где для исследуемой системы строятся графические диаграммы причинных связей и глобальных влияний одних параметров на другие во времени, а затем созданная на основе этих диаграмм модель имитируется на компьютере. По сути, такой вид моделирования более всех других парадигм помогает понять суть происходящего выявления причинно-следственных связей между объектами и явлениями. С помощью системной динамики строят модели бизнес-процессов, развития города, модели производства, динамики популяции, экологии и развития эпидемии. Область применения имитационных моделей обширна, к примеру, они нашли применения в сферах: ИТ-инфраструктуры Производства 1.2 Системы разработки дискретно-событийных моделей Системы GPSS World Средой разработки модели был выбран GPSSW (General Purpose Simulation System), Расширенный редактор GPSS World (студенческая версия), Редактор форм (студенческая версия) GPSS World является объектно-ориентированным языком Система GPSS World – это прямое развитие языка моделирования GPSS/РС. Система GPSS World, разработанная компанией Minuteman Software (США), – это мощная среда компьютерного моделирования общего назначения, разработанная для профессионалов в области моделирования. Это комплексный моделирующий инструмент, охватывающий области как дискретного, так и непрерывного компьютерного моделирования, обладающий высочайшим уровнем интерактивности и визуального представления информации. GPSS World разработан для оперативного получения достоверных результатов с наименьшими усилиями. В соответствии с этими целями в GPSS World хорошо проработана визуализация процесса моделирования, а также встроены элементы статистической обработки данных. Использование GPSS World дает возможность оценить эффективность конструкторских решений в чрезвычайно сложных системах реального мира. GPSS World имеет ряд преимуществ: он прост в изучении и использовании; наиболее важные классы объектов (требования (транзакты), каналы, накопители, логические переключатели и др.) и их свойства широко используются в реальных вычислительных сетях, производственных и коммерческих системах и т.д.; язык постоянно совершенствуется; расширение создаваемых моделей легко осуществимо; пользователи способны легко понять внутреннюю логику и алгоритмы GPSS; диапазон использования языка достаточно широк; Расширенный редактор GPSS World В настоящее время специалисты, занимающиеся разработкой имитационных моделей на языке GPSS World, используют, стандартный редактор, предлагаемый разработчиком Minuteman Software. Он имеет неплохие инструменты отладки и отслеживания состояния объектов моделирования, однако средства создания и редактирования моделей оставляют желать лучшего. Например, в нём отсутствуют возможности по управлению моделями и экспериментами, текстовый редактор примитивен, отсутствуют иерархическое и графическое представления модели, нет средств документирования результатов исследований и т.д. Данный редактор был хорош 10-15 лет назад, но современные информационные технологии ушли далеко вперед. Для устранения этих проблем и расширения возможностей пользователя при проведении имитационных исследований, компанией «Элина-Компьютер» создан расширенный редактор имитационных моделей. Этот редактор рассчитан на профессиональных разработчиков имитационных моделей на языке GPSS World К основным возможностям расширенного редактора относятся: Разработка модели в форме иерархической схемы; Создание библиотек типовых элементов схемы; Написание текста модели в редакторе c контекстной подсказкой; определением ошибок, подсветкой синтаксиса и другими возможностями; Расширенная отладка модели; Создание матриц в табличном виде; Анализ стандартных результатов моделирования на русском языке; Создание отчёта об исследовании. Редактор форм Одним из главных недостатков GPSS World является малая наглядность представления результатов моделирования. Хоть они и представлены в виде достаточно полного отчета, но это сего лишь текстовый файл и для его понимания необходимо знать программные детали модели. Поэтому для специалистов-предметников, которые хотели бы сами проводить исследования с готовой моделью без программирования, был разработан универсальный редактор форм, позволяющий, не только проводить исследования, но и анализировать полученные результаты в более наглядном виде. Основные функции редактора форм: Создание форм ввода данных. Создание форм наблюдения за динамикой изменения показателей. Создание 2D анимации. Построение планов экспериментов. Проведение одиночных и серий экспериментов с моделью. Создание независимого EXE-модуля и др 1.3 Компьютер как система массового обслуживания С системами массового обслуживания (СМО) мы встречаемся повседневно. Любому из нас приходилось когда-то ждать обслуживания в очереди (например, в магазине, на автозаправке, в библиотеке, кафе и т. д.). Аналогичные ситуации возникают при потребности воспользоваться телефонной связью или выполнить свою программу на компьютере. Более того, любое производство можно представить, как последовательность систем обслуживания. К типичным системам обслуживания относят также ремонтные и медицинские службы, транспортные системы, аэропорты, вокзалы и другие. Особое значение приобрели такие системы при изучении процессов в информатике. Это, прежде всего, компьютерные системы, сети передачи информации, ОС, базы и банки данных. Системы обслуживания играют значительную роль в повседневной жизни. Опыт моделирования разных типов дискретных событийных систем свидетельствует о том, что приблизительно 80% этих моделей основаны на СМО. Что же характеризует эти системы как СМО? Такие системы можно описать, если задать: входящий поток требований или заявок, которые поступают на обслуживание; дисциплину постановки в очередь и выбор из нее; правило, по которому осуществляется обслуживание; выходящий поток требований; режимы работы. 1.4 Устройства кодирования и декодирования Логические устройства разделяют на два класса: комбинационные и последовательностные. Устройство называют комбинационным, если его выходные сигналы в некоторый момент времени однозначно определяются входными сигналами, имеющими место в этот момент времени. Иначе устройство называют последовательностным или конечным автоматом (цифровым автоматом, автоматом с памятью). В последовательностных устройствах обязательно имеются элементы памяти. Состояние этих элементов зависит от предыстории поступления входных сигналов. Выходные сигналы последовательностных устройств определяются не только сигналами, имеющимися на входах в данный момент времени, но и состоянием элементов памяти. Таким образом, реакция последовательностного устройства на определенные входные сигналы зависит от предыстории его работы. Шифратор – это комбинационное устройство, преобразующее десятичные числа в двоичную систему счисления, причем каждому входу может быть поставлено в соответствие десятичное число, а набор выходных логических сигналов соответствует определенному двоичному коду. Шифратор иногда называют «кодером» (от англ. coder) и используют, например, для перевода десятичных чисел, набранных на клавиатуре кнопочного пульта управления, в двоичные числа. Если количество входов настолько велико, что в шифраторе используются все возможные комбинации сигналов на выходе, то такой шифратор называется полным, если не все, то неполным. Число входов и выходов в полном шифраторе связано соотношением n = 2 m, где n — число входов, m — число выходов. Дешифратором – называется комбинационное устройство, преобразующее n-разрядный двоичный код в логический сигнал, появляющийся на том выходе, десятичный номер которого соответствует двоичному коду. Число входов и выходов в так называемом полном дешифраторе связано соотношением m = 2n, где n — число входов, а m — число выходов. Если в работе дешифратора используется неполное число выходов, то такой дешифратор называется неполным. Так, например, дешифратор, имеющий 4 входа и 16 выходов, будет полным, а если бы выходов было только 10, то он являлся бы неполным. 1.5 Сжатие данных Сжатие данных – алгоритмическое преобразование данных, производимое с целью уменьшения занимаемого ими объёма. Применяется для более рационального использования устройств хранения и передачи данных. Синонимы – упаковка данных, компрессия, сжимающее кодирование, кодирование источника. Обратная процедура называется восстановлением данных (распаковкой, декомпрессией). Сжатие основано на устранении избыточности, содержащейся в исходных данных. Простейшим примером избыточности является повторение в тексте фрагментов. Подобная избыточность обычно устраняется заменой повторяющейся последовательности ссылкой на уже закодированный фрагмент с указанием его длины. Другой вид избыточности связан с тем, что некоторые значения в сжимаемых данных встречаются чаще других. Сокращение объёма данных достигается за счёт замены часто встречающихся данных короткими кодовыми словами, а редких – длинными. Все методы сжатия данных делятся на два основных класса: Сжатие без потерь Сжатие с потерями При использовании сжатия без потерь возможно полное восстановление исходных данных, сжатие с потерями позволяет восстановить данные с искажениями, обычно несущественными с точки зрения дальнейшего использования восстановленных данных. Сжатие без потерь обычно используется для передачи и хранения текстовых данных, компьютерных программ, реже – для сокращения объёма аудио- и видеоданных, цифровых фотографий и т. п., в случаях, когда искажения недопустимы или нежелательны. Сжатие с потерями, обладающее значительно большей, чем сжатие без потерь, эффективностью, обычно применяется для сокращения объёма аудио- и видеоданных и цифровых фотографий в тех случаях, когда такое сокращение является приоритетным, а полное соответствие исходных и восстановленных данных не требуется. Основным критерием различия между алгоритмами сжатия является наличие или отсутствие потерь. В общем случае алгоритмы сжатия без потерь универсальны в том смысле, что их применение безусловно возможно для данных любого типа, в то время как возможность применения сжатия с потерями должна быть обоснована. Для некоторых типов данных искажения не допустимы в принципе. В их числе: символические данные, жизненно важные данные, многократно подвергаемые сжатию и восстановлению промежуточные данные Вывод по главе 1 В первой главе в рассмотрены общие представления о предметной области. Даны ответы на вопросы: что такое Имитационное моделирование, рассмотрены его виды, компьютер как СМО, а также выбрано средство проектирования – GPSS World, в котором будет разработан проект с использованием возможностей расширенно редактора GPSS World. |