конспект лекцій автоматизація. Конспект лекцій з дисципліни Вступ до спеціальності для студентів денної форми навчання за напрямами підготовки
 Скачать 0.52 Mb.
|
|
ТЕМА 2 АЛГОРИТМІЗАЦІЯ ТА ФОРМАЛІЗАЦІЯ ІНЖЕНЕРНИХ ЗАДАЧ 2.1. Поняття алгоритму та формалізація задач При вирішенні певних практичних інженерних задач виникає необхідність розробити порядок дій, який би дозволяв розв’язувати усі однотипні задачі певної проблематики незалежно від вхідних величин. При формалізації проводиться запис в аналітичній формі всіх співвідношень задачі, які ще не були відображені, викладаються логічні умови та описуються дії по реалізації процесу розв’язання. Цього можна досягти, користуючись поняттям алгоритму. Алгоритм – це організована сукупність дій, необхідних для розв’язання поставленої задачі. Алгоритм – це описання послідовного процесу перетворення початкових даних на результат. Ефективним методом побудови алгоритмів є метод покрокової деталізації, при якому завдання розбивається на кілька простих під задач (модулів), і для кожного модуля створюється свій власний алгоритм. Здебільше модуль реалізує певний процес обробки інформації і застосовується як для окремого використання, так і для включення модуля в інший алгоритм застосування модульності, при створенні алгоритмів дозволяє розробити великі задачі на незалежні блоки (модулі), усуває повторення стандартних дій і значно прискорює процес налагодження алгоритму в цілому. В обчислювальних процесах алгоритм є послідовністю команд (директив або інструкцій), що визначає дії, які треба виконати для досягнення поставленої мети: розв’язання певної задачі. Алгоритм повинен мати такі властивості: 1. Дискретність – процес розв’язку розбивається на кроки. Крок – це одна дія або підпорядкований алгоритм (метод покрокової деталізації). Таким чином, полегшується процес знайдення помилок і редагування алгоритму. 2. Визначеність (точність) – кожен крок алгоритму має бути однозначно описаною дією і не містити двозначностей. 3. Зрозумілість – усі дії, включені до алгоритму, мають бути у межах компетенції використання алгоритму. 4. Універсальність (масовість) – алгоритм має виконуватись при будь–яких значеннях вхідних даних та початкових умовах. 5. Скінченність – алгоритм має бути реалізованим за конечне число кроків і повинен користуватися конечним набором вхідних значень. 6. Результативність – алгоритм має привести до отримання результату. Якщо алгоритму присутні перераховані вище властивості, то його виконання проводиться формально, тобто точно за схемою алгоритму, без будь–яких втручань у послідовність дій. 2.2. Способи опису та зображення алгоритму Алгоритми можуть бути описані: 1) усно; 2) словесно (у вигляді плану дій – розпоряджень); 3) графічно (у вигляді блок – схеми). Найчастіше алгоритми обчислювальних подаються у вигляді блок–схеми, де кожний крок алгоритму представлений спеціальними блоками, який умовно показує дію, яку треба виконати. Сама дія записується всередину блока і є конкретною для даного алгоритму. Покажемо умовні зображення блоків, їх призначення та дії, які виконуються за допомогою вибраних блоків, що наведені у таблиці 1. Таблиця 1 – Основні умовні графічні позначення (символи) схем алгоритмів і програм  Блоки поєднуються між собою лініями потоку інформації – лініями зі стрілками, при цьому, якщо інформація передається по блоках зверху вниз або праворуч, стрілки не проставляються. Якщо треба поєднати один блок з іншим, рекомендується не перетинати лінії потоку, а використовувати поєднувач блоків. Для використання поєднувача блоки мають бути попередньо пронумеровані, а сам поєднував має містити цифру – номер блоку, з яким відбувається поєднання. Алгоритмізація – етап розв’язання задачі, результатом якого є розробка алгоритму і її розв’язання. Під цим розуміють зведення розв’язання задачі до ланцюжка простих кроків, які виконуються послідовно один за одним. В широкому розумінні алгоритмізація складається з вибору метода розв’язання задачі та форми представлення вхідної інформації, які враховують специфіку комп’ютера. Схематичне зображення алгоритму – це графічне подання всіх його кроків за допомогою відповідних геометричних об’єктів. 2.3. Базові структури алгоритмів Розрізняють три базові алгоритмічні структури: 1. Лінійна структура. 2. Розгалужена структура. 3. Циклічна структура. Розгляне ці структури більш детально. Лінійна структуравикористовується в алгоритмах, де не одна дія виконується слідом за іншою послідовно в порядку розташування блоків, при цьому жодна з дій не пропускається і не повторюється. Блок–схема лінійної структури алгоритму зображена на рис. 1. Розгалужена структурапередбачає вибір виконання дії залежно від виконання певної умови, при цьому деякі дії можуть не виконуватися взагалі (пропускатися). Розгалужена структура алгоритму, що складається з двох гілок має назву простої, якщо гілок більше, ніж дві – складної. Якщо умова справджується, тоді виконується дія 1, а дія 2 ігнорується. Якщо ж умова не справджується, тоді виконується дія 2, а дія 1 ігнорується. Блок – схема простої розгалуженої структури алгоритму зображена на рис. 2.  Рисунок 1 - Блок-схема лінійної структури  Рисунок 2 – Блок-схема розгалуженої алгоритмічної структури Циклічна структуравиконується за необхідністю повторень деяких дій (блоків). Перед кожним повторюванням (циклом) змінюється значення або кількох даних. Цикл – це виконання послідовності кроків, після останнього з яких переходять до нового виконання цієї послідовності, починаючи з першого. На схемі вони утворюють замкнуті ділянки. Керування кількістю повторів циклу здійснюється за допомогою змінної, яка має назву параметра циклу. При кожному повторі циклу значення цієї змінної змінюється на величину, яка називається кроком циклу. Цикл припиняється, коли значення параметру циклу досягає певного значення, за якого забезпечується виконання логічної умови припинення циклу. Цикл складається з таких частин: 1) з підготовчої частини; 2) робочої частини; 3) перерахунку параметрів циклу; 4) перевірка умов продовження циклу; 5) продовження програми. У підготовчій частині циклу проводиться така підготовча робота, яка забезпечить вірне виконання циклу для розв’язання задачі. Наприклад, якщо в циклі обчислюється добуток чисел, то в комірку пам’яті, де зберігається цей добуток, треба записати 1(одиницю), а якщо в циклі обчислюється сума, то в комірку пам’яті треба записати нуль. У підготовчій частині обов’язково задається початкове значення параметра циклу. Робоча частина циклу – це сукупність тієї послідовності кроків, яку необхідно виконати декілька разів для розв’язання задачі. Саме для цієї послідовності кроків і організований цикл. Перерахунок параметра циклу здійснюється таким чином, щоб нове виконання робочої частини проходило так, як цього вимагає розв’язування задачі. Умова продовження циклу повинна бути записана так, щоб при кожному виконанні цього циклу було однозначно зрозуміло – чи треба продовжувати цикл чи ні. Циклічні структури поділяють на цикли з після умовою та з перед умовою. Цикл з післ умовою – спочатку виконується деяка послідовність дій (тіло циклу), а потім перевіряється умова. Блок–схема циклу з після умовою зображена на рис. 3. У циклі з після умовою робоча частина виконується хоча б один раз.  Рисунок 3 - Блок–схема циклу з післяумовою Цикл з пере умовою – спочатку перевіряється виконання умови, а потім в залежності від виконання умови йде виконання тих чи інших дій. Блок–схема циклу з передумовою зображена на рис. 4. У циклі з перед умовою робоча частина може не виконуватися жодного разу (якщо перед умова одразу не виконується).  Рисунок 4 - Блок–схема циклу з передумовою Контрольні питання
ТЕМА 3 ОСНОВИ КОМП’ЮТЕРНИХ МЕРЕЖ 3.1. Визначення, призначення та класифікація мереж. Поняття про комп’ютерні мережі При фізичному з’єднанні двох чи більшої кількості комп’ютерів утворюється комп’ютерна мережа. Взагалі для створення комп’ютерних мереж необхідне спеціальне апаратне забезпечення (мережеві програмні засоби). Комп’ютерна мережа – комплекс апаратних і програмних засобів, що реалізують обмін інформацією між ПК. Найпростіше з’єднання двох комп’ютерів називається прямим з’єднання. Основним завданням при створенні комп’ютерних мереж є забезпечення сумісності обладнання та забезпечення сумісності програм і даних. Для забезпечення необхідної сумісності в комп’ютерній мережі діють спеціальні стандарти, які називаються протоколами. Вони визначають характер апаратної взаємодії компонентів мережі (апаратні протоколи) і характер взаємодії програм і даних (програмні протоколи).Фізично функції підтримки протоколів виконують апаратні пристрої (інтерфейси) і програмні засоби (програми підтримки протоколів). Програми, що виконують підтримку протоколів також називаються протоколами. Відповідно до протоколів комп’ютерні мережі прийнято ділити на локальні (LAN – Local Area Network) і глобальні (WAN – wide area Network) та міські MAN. Призначення всіх видів комп’ютерних мереж визначається двома функціями: 1. Забезпечення спільного використання апаратних і програмних ресурсів мережі. 2. Забезпечення спільного доступу до ресурсу даних. ПК, об’єднані в мережі розв’язують наступні задачі: 1. Розділення файлів. Можна багатьом користувачам однозначно працювати з одним файлом, який зберігається на центральному сервері. 2. Передавання файлів. Комп’ютерна мережа дає можливість швидко копіювати файли будь–якого розміру з одного комп’ютера на інший. 3. Доступ до інформації і файлів. Мережа дає можливість завантажувати прикладні програми з будь–якого комп’ютера, байдуже, де вона розташована. 4. Розділення прикладних програм. Можна двом користувачам використовувати одну копію програми, наприклад MS Word. Але два користувача не можуть одночасно редагувати один і той самий документ. 5. Доступ до принтера. Можна кільком користувачам спільно використовувати один або декілька принтерів, підключених до мережі. 3.2. Локальні та глобальні мережі. Поняття топології мереж Топологія мережі – це її геометрична форма або фізичне розташування комп’ютерів по відношенню один до одного. Комп’ютери локальної мережі, як, правило, використовують єдиний комплект протоколів для всіх учасників. За територіальним принципом локальні мережі відрізняються компактністю. Вони можуть з’єднувати комп’ютери одного приміщення, будинку, групи компактного розташування споруд. Так, наприклад, усі учасники локальної мережі можуть спільно використовувати один загальний пристрій друку (мережений принтер) або ресурси жорстких дисків одного комп’ютера. Це стосується програм і даних. Якщо в мережі є спеціальний комп’ютер, виділений для спільного використання учасниками мережі, то він називається сервером. Комп’ютерні мережі, в яких немає виділеного сервера, а всі локальні комп’ютери можуть спілкуватися один з одним на «рівних правах» називаються одноранговими. Групи співробітників, що працюють за одним проектом у рамках локальної мережі, називаються робочими групами. У рамках однієї локальної мережі можуть працювати кілька робочих груп. В учасників робочих груп можуть бути різні права для доступу до загальних ресурсів мережі. Сукупність прийомів поділу й обмеження прав учасників комп’ютерної мережі називаються політикою мережі. Керування такими політиками (їх може бути декілька в одній мережі) називається адмініструванням мережі. Особа, що керує організацією учасників локальної комп’ютерної мережі, називається системним адміністратором. Існують такі типи топології локальних мереж: зірка, кільце, шина, дерево, комбінована. Глобальні мережі – це мережі, що мають збільшені геог рафічні розміри та вони можуть з’єднувати, як окремі комп’ютери, так і окремі локальні мережі, у тому числі з різни ми протоколами. Для зв’язку між собою декількох локальних мереж використовують шлюзи. Шлюзи поєднують мережі, що працюють за різними протоколами. Шлюзи можуть бути як програмні, так і апаратні. Наприклад, це може бути спеціальний комп’ютер (шлюзовий сервер), а може бути і комп’ютерна програма. В останньому випадку комп’ютер може виконувати не тільки функцію шлюзу, але й інші функції типові для робочої станції. При підключенні локальної мережі підприємства до глобальної мережі важливу роль відіграє поняття мережної безпеки. Брандмауером може бути спеціальний комп’ютер чи комп’ютерна програма, що перешкоджає несанкціонованому переміщенню даних між мережами. Комп’ютери глобальної мережі можуть знаходитися в різних містах і навіть країнах. Основу середовища передачі інформації глобальних мереж складають вузли комутацій, які пов’язані між собою за допомогою каналів передачі даних. У глобальних мережах використовується декілька виділених серверів. Управляє роботою мережі мережний сервер. Може існувати декілька файлів серверів, які використовуються для зберігання великих обсягів інформації та організації доступу з робочих станцій. Передача інформації у мережах відбувається, як по провідним каналам зв’язку, так і по без провідним. Безпровідні канали зв’язку використовують там, де прокладання кабелю ускладнене, неефективне або взагалі неможливе. Наприклад, в промислових приміщеннях з металевими конструкціями, офісах, що здаються в короткострокову оренду, на складах, виставках, конференціях. Також безпровідні мережі використовують для організації зв’язку між сегментами локальних мереж при відсутності інфраструктури передачі даних. Мережна магістраль з безпровідним доступом дозволяє відмовитись від використання повільних модемів. Модем – це пристрій для обміну інформацією з іншими комп’ютерами через телефонну мережу. Розглянемо топології комп’ютерних мереж.
Топологія типу шина використовує один канал зв’язку, який об’єднує всі комп’ютери мережі. Цим каналом зв’язку є коаксіальний кабель. Передана інформація може поширюватись в обидва боки кабелю.  Рисунок 1 - Топологія типу шина Основні переваги: 1) невелика вартість; 2) простота розведення кабелю по приміщенню. Недоліки: 1) низька надійність, оскільки будь – який дефект кабелю або будь – якого з’єднання цілком паралізує всю мережу; 2) невисока продуктивність, оскільки за такого способу підключення в кожен момент часу тільки один комп’ютер може передавати дані в мережу. Тому пропускна здатність каналу зв’язку завжди розділяється тут між усіма вузлами мережі. 2. Зірка (рис. 2). При топології типу зірка кожен комп’ютер підключається окремим кабелем до загального пристрою. Цей пристрій має назву концентратора та розташовується у центрі мережі. Концентратор спрямовує передану комп’ютером інформацію одному чи всім іншим комп’ютерам мережі.  Рисунок 2 – Топологія типу зірка Переваги: 1) значна надійність, оскільки будь – які дефекти кабелю стосуються лише того комп’ютера, до якого цей кабель відноситься; 2) концентратор відіграє роль фільтра інформації, що надходить від вузлів у мережу і за необхідності блокує заборонені адміністратором передачі. Недоліки: 1) більш велика вартість мереженого устаткування через необхідність придбання концентратора; 2) можливість збільшення кількості вузлів обмежується кількістю портів у концентраторі; 3) зіпсованість концентратора може вивести з ладу всю мережу. Часом має сенс будувати мережу з використанням декількох концентраторів, ієрархічно з’єднаних між собою зв’язками типу зірка. В даний час ієрархічна зірка є найпоширенішим типом топології зв’язків, як у локальних, так і у глобальних мережах. 3. Кільцева топологія (рис. 3). При топології типу кільце дані перелаються від комп’ютера до комп’ютера в одному напрямку.  Рисунок 3 – Топологія типу кільце Перевага: 1) зручна конфігурація для організації зворотного зв’язку, оскільки дані, зробивши повний оберт, повертається до вузла – джерела, тому цей вузол може контролювати процес доставки даних адресату; 2) топологію використовують для тестування зв’язності мережі та пошуку вузла, що працює некоректно. Недоліки: у межах мережі необхідно вживати спеціальні заходи, щоб у разі виходу з ладу або відключенні якоїсь станції не перервався канал зв’язку між іншими станціями. 4. Дерево (рис. 4). Топологія типу дерево відповідає мережі, у якій усі комп’ютери зв’язані між собою. Незважаючи на загальну простоту, цей варіант є громіздким і неефективним, оскільки кожен комп’ютер у мережі повинен мати велику кількість комунікаційних портів, достатньо для зв’язку з будь – яким іншим комп’ютером мережі. Для кожної пари комп’ютерів має бути виділена окрема електрична лінія зв’язку. Такі топології застосовують рідко, зокрема в багатомашинних комплексах чи в глобальних мережах з невеликою кількістю комп’ютерів.  Рисунок 4 – Топологія типу дерево 5. Комбінована .Комбінована структура використовує комбінацію шинної, кільцевої, деревовидної та зіркової технологій (рис. 5).  Рисунок 5 – Комбінована топологія Контрольні питання
|