2. Структура сложных систем
Структура персонального компьютера. Персональный компьютер (ПК) — прибор умеренной сложности. Большинство ПК состоит из одних и тех же основных элементов: системной платы, монитора, клавиатуры и устройства внешней памяти какого-либо типа (гибкого или жесткого диска). Мы можем взять любую из этих частей и разложить ее в свою очередь на составляющие. Системная плата, например, содержит оперативную память, центральный процессор (ЦП) и шину, к которой подключены периферийные устройства. Каждую из этих частей можно также разложить на составляющие: ЦП состоит из регистров и схем управления, которые сами состоят из еще более простых деталей: диодов, транзисторов и т.д.
Это пример сложной иерархической системы. Персональный компьютер нормально работает благодаря четкому совместному функционированию всех его составных частей. Вместе эти части образуют логическое целое. Мы можем понять, как работает компьютер, только потому, что можем рассматривать отдельно каждую его составляющую. Таким образом, можно изучать устройства монитора и жесткого диска независимо друг от друга. Аналогично можно изучать арифметическую часть ЦП, не рассматривая при этом подсистему памяти.
Дело не только в том, что сложная система ПК иерархична, но в том, что уровни этой иерархии представляют различные уровни абстракции, причем один надстроен над другим и каждый может быть рассмотрен (понят) отдельно. На каждом уровне абстракции мы находим набор устройств, которые совместно обеспечивают некоторые функции более высокого уровня, и выбираем уровень абстракции, исходя из наших специфических потребностей. Например, пытаясь исследовать проблему синхронизации обращений к памяти, можно оставаться на уровне логических элементов компьютера, но этот уровень абстракции не подходит при поиске ошибки в прикладной программе, работающей с электронными таблицами.
Структура растений и животных. Ботаник пытается понять сходство и различия растений, изучая их морфологию, то есть форму и структуру. Растения — это сложные многоклеточные организмы. В результате совместной деятельности различных органов растений происходят такие сложные типы поведения, как фотосинтез и всасывание влаги.
Растение состоит из трех основных частей: корни, стебли и листья. Каждая из них имеет свою особую структуру. Корень, например, состоит из корневых отростков, корневых волосков, верхушки корня и т.д. Рассматривая срез листа, мы видим его эпидермис, мезофилл и сосудистую ткань. Каждая из этих структур, в свою очередь, представляет собой набор клеток. Внутри каждой клетки можно выделить следующий уровень, который включает хлоропласт, ядро и т.д. Так же, как у компьютера, части растения образуют иерархию, каждый уровень которой обладает собственной независимой сложностью.
Все части на одном уровне абстракции взаимодействуют вполне определенным образом. Например, на высшем уровне абстракции, корни отвечают за поглощение из почвы воды и минеральных веществ. Корни взаимодействуют со стеблями, которые передают эти вещества листьям. Листья в свою очередь используют воду и минеральные вещества, доставляемые стеблями, и производят при помощи фотосинтеза необходимые элементы.
Для каждого уровня абстракции всегда четко разграничено «внешнее» и «внутреннее». Например, можно установить, что части листа совместно обеспечивают функционирование листа в целом и очень слабо взаимодействуют или вообще прямо не взаимодействуют с элементами корней. Проще говоря, существует четкое разделение функций различных уровней абстракции.
В компьютере транзисторы используются как в схеме ЦП, так и жесткого диска. Аналогично этому большое число «унифицированных элементов» имеется во всех частях растения. Так Создатель достигал экономии средств выражения. Например, клетки служат основными строительными блоками всех структур растения; корни, стебли и листья растения состоят из клеток. И хотя любой из этих исходных элементов действительно является клеткой, существует огромное количество разнообразных клеток. Есть клетки, содержащие и не содержащие хлоропласт, клетки с оболочкой, проницаемой и непроницаемой для воды, и даже живые и умершие клетки.
При изучении морфологии растения мы не выделяем в нем отдельные части, отвечающие за отдельные фазы единого процесса, например, фотосинтеза. Фактически не существует централизованных частей, которые непосредственно координируют деятельность более низких уровней. Вместо этого мы находим отдельные части, которые действуют как независимые посредники, каждый из которых ведет себя достаточно сложно и при этом согласованно с более высокими уровнями. Только благодаря совместным действиям большого числа посредников образуется более высокий уровень функционирования растения. Наука о сложности называет это возникающим поведением. Поведение целого сложнее, чем поведение суммы его составляющих [6].
Обратимся к зоологии. Многоклеточные животные, как и растения, имеют иерархическую структуру: клетки формируют ткани, ткани работают вместе как органы, группы органов определяют систему (например, пищеварительную) и так далее. Мы снова вынуждены отметить присущую Создателю экономность выражения: основной строительный блок всех растений и животных — клетка. Естественно, между клетками растений и животных существуют различия. Клетки растения, например, заключены в жесткую целлюлозную оболочку в отличие от клеток животных. Но, несмотря на эти различия, обе указанные структуры, несомненно, являются клетками. Это пример общности в разных сферах.
Жизнь растений и животных поддерживает значительное число механизмов надклеточного уровня, то есть более высокого уровня абстракции. И растения, и животные используют сосудистую систему для транспортировки внутри организма питательных веществ. И у тех, и у других может существовать различие полов внутри одного вида.
Структура вещества. Исследования в таких разных областях, как астрономия и ядерная физика, дают множество других примеров невероятно сложных систем. В этих двух дисциплинах мы найдем примеры иерархических структур. Астрономы изучают галактики, которые объединены в скопления, а звезды, планеты и другие небесные тела образуют галактику. Ядерщики имеют дело со структурной иерархией физических тел совсем другого масштаба. Атомы состоят из электронов, протонов и нейтронов; электроны, по-видимому, являются элементарными частицами, но протоны, нейтроны и другие тяжелые частицы формируются из еще более мелких компонентов, называемых кварками.
Мы опять обнаруживаем общность форм механизмов в этих сложных иерархиях. На самом деле оказывается, что во Вселенной работают всего четыре типа сил: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия. Многие законы физики универсальны, например, закон сохранения энергии и импульса можно применить и к галактикам, и к кваркам.
Структура социальных институтов. Как последний пример сложных систем рассмотрим структуру общественных институтов. Люди объединяются в группы для решения задач, которые не могут быть решены индивидуально. Одни организации быстро распадаются, другие функционируют на протяжении нескольких поколений. Чем больше организация, тем отчетливее проявляется в ней иерархическая структура. Транснациональные корпорации состоят из компаний, которые в свою очередь состоят из отделений, содержащих различные филиалы. Последним принадлежат уже отдельные офисы и т.д. Границы между частями организации могут изменяться, и с течением времени может возникнуть новая, более стабильная иерархия.
Отношения между разными частями большой организации подобны отношениям между компонентами компьютера, растения или галактики. Характерно, что степень взаимодействия между сотрудниками одного учреждения несомненно выше, чем между сотрудниками двух разных учреждений. Клерк, например, обычно не общается с исполнительным директором компании, а в основном обслуживает посетителей. Но и здесь различные уровни имеют единые механизмы функционирования. Работа и клерка и директора оплачивается одной финансовой организацией, и оба они для своих целей используют общую аппаратуру, в частности, телефонную систему компании.
Пять признаков сложной системы
Исходя из такого способа изучения, можно вывести пять общих признаков любой сложной системы. Основываясь на работе Саймона и Эндо, Куртуа предлагает следующее наблюдение [7]:
1. «Сложные системы часто являются иерархическими и состоят из взаимозависимых подсистем, которые в свою очередь также могут быть разделены на подсистемы, и т.д., вплоть до самого низкого уровням.»
Саймон отмечает: «тот факт, что многие сложные системы имеют почти разложимую иерархическую структуру, является главным фактором, позволяющим нам понять, описать и даже «увидеть» такие системы и их части» [8]. В самом деле, скорее всего, мы можем понять лишь те системы, которые имеют иерархическую структуру.
Важно осознать, что архитектура сложных систем складывается и из компонентов, и из иерархических отношений этих компонентов. Речтин отмечает: «Все системы имеют подсистемы, и все системы являются частями более крупных систем. Особенности системы обусловлены отношениями между ее частями, а не частями как таковыми» [9].
Что же следует считать простейшими элементами системы? Опыт подсказывает нам следующий ответ:
2. Выбор, какие компоненты в данной системе считаются элементарными, относительно произволен и в большой степени оставляется на усмотрение исследователя.
Низший уровень для одного наблюдателя может оказаться достаточно высоким для другого.
Саймон называет иерархические системы разложимыми, если они могут быть разделены на четко идентифицируемые части, и почти разложимыми, если их составляющие не являются абсолютно независимыми. Это подводит нас к следующему общему свойству всех сложных систем:
3. «Внутрикомпонентная связь обычно сильнее, чем связь между компонентами. Это обстоятельство позволяет отделять «высокочастотные» взаимодействия внутри компонентов от «низкочастотной» динамики взаимодействия между компонентами» [10].
Это различие внутрикомпонентных и межкомпонентных взаимодействий обуславливает разделение функций между частями системы и дает возможность относительно изолированно изучать каждую часть.
Как мы уже говорили, многие сложные системы организованы достаточно экономными средствами. Поэтому Саймон приводит следующий признак сложных систем:
4. «Иерархические системы обычно состоят из немногих типов подсистем, по-разному скомбинированных и организованных» [11].
Иными словам и, разные сложные системы содержат одинаковые структурные части. Эти части могут использовать общие более мелкие компоненты, такие как клетки, или более крупные структуры, типа сосудистых систем, имеющиеся и у растений, и у животных.
Выше мы отмечали, что сложные системы имеют тенденцию к развитию во времени. Саймон считает, что сложные системы будут развиваться из простых гораздо быстрее, если для них существуют устойчивые промежуточные формы [12]. Гэлл [13] выражается более эффектно:
5. «Любая работающая сложная система является результатом развития работавшей более простой системы. Сложная система, спроектированная «с нуля», никогда не заработает. Следует начинать с работающей простой системы».
В процессе развития системы объекты, первоначально рассматривавшиеся как сложные, становятся элементарными, и из них строятся более сложные системы. Более того, невозможно сразу правильно создать элементарные объекты: с ними надо сначала повозиться, чтобы больше узнать о реальном поведении системы, и затем уже совершенствовать их.
Организованная и неорганизованная сложность
Каноническая форма сложной системы. Обнаружение общих абстракций и механизмов значительно облегчает понимание сложных систем. Например, опытный пилот, сориентировавшись всего за несколько минут, может взять на себя управление многомоторным реактивным самолетом, на котором он раньше никогда не летал, и спокойно его вести. Определив элементы, общие для всех подобных самолетов (такие, как руль управления, элероны и дроссельный клапан), пилот затем найдет отличия этого конкретного самолета от других. Если пилот уже знает, как управлять одним самолетом определенного типа, ему гораздо легче научиться управлять другим похожим самолетом.
Этот пример наводит на мысль, что мы обращались с термином иерархия в весьма приблизительном смысле. Наиболее интересные сложные системы содержат много разных иерархий. В самолете, например, можно выделить несколько систем: питания, управления полетом и т.д. Такое разбиение дает структурную иерархию типа «быть частью». Эту же систему можно разложить совершенно другим способом. Например, турбореактивный двигатель — особый тип реактивного двигателя, a «Pratt and Whitney TF30» — особый тип турбореактивного двигателя. С другой стороны, понятие «реактивный двигатель» обобщает свойства, присущие всем реактивным двигателям; «турбореактивный двигатель» — это просто особый тип реактивного двигателя со свойствами, которые отличают его, например, от прямоточного.
Эта вторая иерархия представляет собой иерархию типа «is-a». Исходя из нашего опыта, мы сочли необходимым рассмотреть систему с двух точек зрения, как иерархию первого и второго типа. По причинам, изложенным в главе 2, мы назовем эти иерархии соответственно структурой классов и структурой объектов [Сложные программные системы включают также и другие типы иерархии. Особое значение имеют их модульная структура, которая описывает отношения между физическими компонентами системы, и иерархия процессов, которая описывает отношения между динамическими компонентами].
Объединяя понятия структуры классов и структуры объектов с пятью признаками сложных систем, мы приходим к тому, что фактически все сложные системы можно представить одной и той же (канонической) формой, которая показана на рис. 1-1. Здесь приведены две ортогональных иерархии одной системы: классов и объектов. Каждая иерархия является многоуровневой, причем в ней классы и объекты более высокого уровня построены из более простых. Какой класс или объект выбран в качестве элементарного, зависит от рассматриваемой задачи. Объекты одного уровня имеют четко выраженные связи, особенно это касается компонентов структуры объектов. Внутри любого рассматриваемого уровня находится следующий уровень сложности. Отметим также, что структуры классов и объектов не являются независимыми: каждый элемент структуры объектов представляет специфический экземпляр определенного класса. Как видно из рис. 1-1, объектов в сложной системе обычно гораздо больше, чем классов. Показывая обе иерархии, мы демонстрируем избыточность рассматриваемой системы. Если бы мы не знали структуру классов нашей системы, нам пришлось бы повторять одни и те же сведения для каждого экземпляра класса. С введением структуры классов мы размещаем в ней общие свойства экземпляров.
Наш опыт показывает, что наиболее успешны те программные системы, в которых заложены хорошо продуманные структуры классов и объектов и которые обладают пятью признаками сложных систем, описанными выше. Оценим важность этого наблюдения и выразимся более категорично: очень редко можно встретить программную систему, разработанную точно по графику, уложившуюся в бюджет и удовлетворяющую требованиям заказчика, в которой бы не были учтены соображения, изложенные выше.
Структуры классов и объектов системы вместе мы называем архитектурой системы.
Человеческие возможности и сложные системы. Если мы знаем, как должны быть спроектированы сложные программные системы, то почему при создании таких систем мы сталкиваемся с серьезными проблемами? Как показано в главе 2, идея о том, как бороться со сложностью программ (эту идею мы будем называть объектный подход) относительно нова. Существует, однако, еще одна, по-видимому, главная причина: физическая ограниченность возможностей человека при работе со сложными системами.
Рис. 1-1. Каноническая форма сложной системы.
Когда мы начинаем анализировать сложную программную систему, в ней обнаруживается много составных частей, которые взаимодействуют друг с другом различными способами, причем ни сами части системы, ни способы их взаимодействия не обнаруживают никакого сходства. Это пример неорганизованной сложности. Когда мы начинаем организовывать систему в процессе ее проектирования, необходимо думать сразу о многом. Например, в системе управления движением самолетов приходится одновременно контролировать состояние многих летательных аппаратов, учитывая такие их параметры, как местоположение, скорость и курс. При анализе дискретных систем необходимо рассматривать большие, сложные и не всегда детерминированные пространства состояний. К сожалению, один человек не может следить за всем этим одновременно. Эксперименты психологов, например Миллера, показывают, что максимальное количество структурных единиц информации, за которыми человеческий мозг может одновременно следить, приблизительно равно семи плюс-минус два [14]. Вероятно, это связано с объемом краткосрочной памяти у человека. Саймон также отмечает, что дополнительным ограничивающим фактором является скорость обработки мозгом поступающей информации: на восприятие каждой новой единицы информации ему требуется около 5 секунд [15].
Таким образом, мы оказались перед серьезной дилеммой. Сложность программных систем возрастает, но способность нашего мозга справиться с этой сложностью ограничена. Как же нам выйти из создававшегося затруднительного положения?
Структурная схема компьютера
В предыдущих темах вы познакомились с назначением и характеристиками основных устройств компьютера. Очевидно, что все эти устройства не могут работать по отдельности, а только в составе всего компьютера. Поэтому для понимания того, как компьютер обрабатывает информацию, нёобходимо рассмотреть структуру компьютера и основные принципы взаимодействия его устройств.
В соответствии с назначением компьютера как инструмента обработки информации взаимодействие входящих в него устройств должно быть организовано таким образом, чтобы обеспечить основные этапы обработки данных.
Для пояснения сказанного рассмотрим приведенную на рисунке 21.1 структурную схему обработки информации компьютером, на которой в верхнем ряду указаны уже знакомые вам по разделу 1 основные этапы этого процесса. Выполнение каждого из этих этапов определяется наличием в структуре компьютера соответствующих устройств. Очевидно, что ввод и вывод информации осуществляется с помощью устройств ввода (клавиатура, мышь и др.) и вывода (монитор, принтер и др.). Для хранения информации используются внутренняя и внешняя память на различных носителях (магнитные или оптические диски, магнитные ленты и пр.).
Рис. 21.1. Структурная схема компьютера
Темные стрелки обозначают обмен информацией между различными устройствами компьютера. Пунктирные линии со стрелками символизцруют управляющие сигналы, которые поступают от процессора. Светлые пустые стрелки отображают потоки входной и выходной информации соответственно.
Компьютер представляет собой систему взаимосвязанных компонентов. Конструктивно все основные компоненты компьютера объединены в системном блоке, который является важнейшей частью персонального компьютера.
Материнская плата
Материнская плата является самой большой в системном блоке печатной платой, на которую устанавливаются все основные узлы компьютера (CPU, ОЗУ, видеокарта), также она имеет разъемы для подключения жесткого диска и дисководов, а также шлейфов портов USB и разъемы, выходящие на заднюю панель корпуса. Материнская плата выполняет согласование работы всех устройств компьютера.
Устройства печати: принтеры, МФУ, сканеры
Принтеры используются для печати документов. Чаще всего встречаются форматов А3 и А4.
В профессиональной среде используют большие принтеры (плоттеры) для печати плакатов и баннеров.
Принтеры разделяются на цветные и черно-белые, лазерные и струйные.
Лазерные дают печать более высокого качества, но в цветных моделях заправка и замена картриджей дорогостоящая. В быту обычно используют черно-белые, так как их обслуживание обходится дешевле. Цветные же используют в случае, когда требуется высококачественная печать.
Струйные принтеры, как правило, все цветные. Они используют для печати жидкие чернила. Заправка в них намного проще, чем в лазерных – достаточно просто доливать чернила в контейнеры. И хватает такой заправки на более долгий срок. Существенный минус струйных моделей: у них периодически забивается печатная головка чернилами и требует обслуживания или замены. Качество печати уступает лазерным.
МФУ – это многофункциональное устройство. В нём совмещены функции сканера, копира, печати, а в некоторых моделях дополнительно и функция факса.
На сегодняшний день в основном используют МФУ на замену принтерам и сканерам, так как их цена не намного выше, а возможностей больше. МФУ также бывают лазерными и струйными.
Сканер – это устройство, которое фотографирует ваши документы и выводит их в цифровом виде на компьютер. Сканеры бывают разных форматов, но обычно это А3 и А4.
В быту им на смену пришли МФУ – сканеры же используются в основном в профессиональной области.
