§ 9. Универсальный исполнитель

Определения и обозначения

Исполнитель — объект, который выполняет команды и изменяет своё состояние или окружающую среду. Им может быть человек, устройство или программа. Команда должна быть понятна исполнителю: иначе он не сможет определить, какое действие требуется. Это понятие помогает отделить того, кто действует, от задачи, которую ему поручили.

Система команд исполнителя — набор команд, которые данный исполнитель способен выполнить. Например, если робот умеет только двигаться вперёд и поворачивать, команда «подпрыгни» ему недоступна. Знать систему команд нужно, чтобы не поручить исполнителю невыполнимое действие. Одна и та же команда может быть понятной одному исполнителю и недоступной другому.

Программа — упорядоченная последовательность команд, предназначенная для выполнения исполнителем. В ней важны и сами команды, и порядок, в котором они записаны: перестановка шагов может изменить результат. Программа нужна, чтобы задать исполнителю точный план действий. Она превращает общее описание решения в последовательность выполнимых указаний.

Универсальный исполнитель — исполнитель, способный выполнять разные алгоритмы, если ему задать соответствующую программу. Алгоритм — способ решения задачи, представленный как конечная последовательность действий. Универсальному исполнителю не требуется отдельное устройство для каждой новой задачи: меняется программа, а сам исполнитель остаётся прежним. Это свойство позволяет применять один компьютер для множества разных целей.

Как это устроено

Чтобы решить задачу, исполнителю нужно не только сообщить желаемый результат, но и указать путь к нему. Фраза «добраться до нужного места» понятна человеку как цель, однако сама по себе не сообщает роботу, куда и на сколько шагов двигаться. Поэтому задачу описывают действиями, которые исполнитель способен понять и выполнить. Такое описание снижает неопределённость: исполнитель следует указаниям, а не придумывает способ решения самостоятельно.

Система команд задаёт границы действий исполнителя, потому что только команды из неё имеют для него определённый смысл. Например, маршрут можно описать поворотами и перемещениями, но исполнитель, умеющий только складывать числа, не сможет пройти его. Один алгоритм может быть записан для разных исполнителей, однако доступные им команды отличаются. Если в записи встречается неподдерживаемая команда, алгоритм для этого исполнителя в таком виде недоступен: его нужно преобразовать или выбрать другого исполнителя.

Программа указывает не только, что нужно сделать, но и в какой последовательности. Благодаря этому исполнитель выполняет один и тот же план воспроизводимо, не выбирая шаги по ситуации. Чтобы изменить задачу, часто достаточно задать другую программу, не меняя устройство исполнителя. Например, один и тот же компьютер можно использовать для вычислений и обработки текста, потому что в каждом случае он получает свой набор команд в виде программы.

Универсальность заключается в возможности выполнять разные алгоритмы, а не просто в наличии большого числа команд. Исполнитель, который делает много действий, но всегда решает одну и ту же задачу по неизменной схеме, может оставаться специализированным. Универсальный исполнитель получает программу, задающую нужный алгоритм, и поэтому способен переключаться между задачами. Разнообразие результатов возникает из сочетания возможностей исполнителя и разных программ.

В компьютере программа и данные поступают на обработку: программа задаёт последовательность действий, а данные служат исходной информацией. Процессор выполняет команды программы, используя данные, а по завершении получается результат — например, вычисленное число или изменённый текст. Компьютер сам не понимает, какую цель имел в виду пользователь, и не выбирает подходящий алгоритм. Поэтому сначала нужно подготовить программу, записанную на языке, который компьютер может выполнить или перевести в выполняемые им команды.

Сравнение специализированного и универсального исполнителей

Сравнивайте исполнителей по тому, какие задачи они могут решать и можно ли изменить действия с помощью программы. Большое число команд само по себе не доказывает универсальность. Главный признак — возможность выполнять разные алгоритмы, получая разные программы.

Разбор задач

Задача 1. Исполнитель умеет выполнять команды «вперёд» и «поворот». Запишите последовательность команд, чтобы пройти квадратный маршрут: вперёд, поворот, вперёд, поворот, вперёд, поворот, вперёд. Требуется использовать только команды его системы команд и сохранить заданный порядок перемещений. Слово «поворот» здесь обозначает один поворот на прямой угол.

1. Выпишем команды, доступные исполнителю: «вперёд» и «поворот».
2. Сохраним порядок маршрута и укажем поворот после каждого из первых трёх перемещений.
3. После четвёртого перемещения поворот не добавляем: в условии маршрут заканчивается на этом шаге.

Ответ: вперёд, поворот, вперёд, поворот, вперёд, поворот, вперёд. Это программа, составленная из команд, которые исполнитель умеет выполнять.

Задача 2. Один исполнитель может только складывать числа, а другой запускает разные программы. Нужно определить, какой из них универсальный и почему. Сначала сравним не количество отдельных действий, а возможность менять решаемую задачу. Условие сообщает, что второй исполнитель выполняет разные программы.

1. Первый исполнитель выполняет фиксированное действие — сложение чисел.
2. У второго действия определяются программой, поэтому программа может задавать разные алгоритмы.
3. Сопоставим это со свойством универсальности: она позволяет одному исполнителю решать разные задачи благодаря разным программам.

Ответ: универсален второй исполнитель. Первый ограничен одной указанной операцией, а второй может выполнять разные алгоритмы, если для них заданы подходящие программы.

Задача 3. Нужно поручить компьютеру найти наибольшее из нескольких чисел. Опишите, что потребуется задать исполнителю и почему одной команды «найти максимум» может быть недостаточно. Такая фраза сообщает желаемый результат, но может не быть командой из системы команд компьютера. Поэтому нужно определить шаги алгоритма и представить их в понятной компьютеру форме.

1. Передадим компьютеру исходные данные — числа, среди которых нужно выбрать наибольшее.
2. Составим алгоритм: запомним первое число как текущее наибольшее, затем сравним с ним остальные и заменим его, если найдётся большее.
3. Запишем этот алгоритм на языке программирования и запустим программу с исходными данными.
4. После выполнения получим значение наибольшего числа, которое программа должна вывести.

Ответ: компьютеру нужны данные и программа, задающая сравнение чисел и обновление текущего максимума. Команда «найти максимум» недостаточна, если она не входит в доступную систему команд и не объясняет исполнителю, как получить результат.

Типичные ошибки

Ошибка — считать универсальным исполнителя только потому, что он выполняет много команд. Многообразие действий ещё не означает, что с их помощью можно задавать разные алгоритмы и переключаться между задачами. Так ошибаются, если ориентируются на число команд, а не на назначение исполнителя. Проверьте себя: может ли он получить разные программы и решать с их помощью разные задачи?

Ошибка — включать в программу любые команды, рассчитывая, что исполнитель сам разберётся. Команды вне его системы команд для него недоступны, даже если человеку их смысл ясен. Путаница возникает из-за смешения человеческого понимания с возможностями конкретного устройства. Перед выполнением проверьте каждую команду по системе команд исполнителя.

Ошибка — считать алгоритм и программу одним и тем же. Алгоритм описывает способ решения задачи, а программа задаёт этот способ в форме команд для конкретного исполнителя. Их путают, потому что обе записи могут перечислять шаги. Чтобы проверить себя, спросите: указано ли, как именно исполнитель должен выполнить шаги и понятны ли ему используемые команды?

Ошибка — думать, что компьютер сам поймёт цель задачи и выберет нужный способ. Компьютер выполняет заданную программу, но не заменяет её догадкой о намерении пользователя. Такая ошибка возникает, когда желаемый результат принимают за готовое указание. Проверьте себя: заданы ли программе необходимые действия и переданы ли исходные данные?

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания об алгоритме, команде и порядке выполнения действий. Алгоритм задаёт способ решения, команда описывает отдельное действие, а порядок определяет, как шаги следуют друг за другом. Понятия исполнителя и системы команд помогают уточнить, кто выполняет алгоритм и какие действия ему доступны. Позже эти идеи пригодятся при изучении программирования и языков программирования: программу нужно записать так, чтобы компьютер мог её выполнить. Они также помогают понять устройство компьютера и роль программ в его работе.

Что запомнить

• Исполнитель выполняет команды, которые ему доступны.
• Набор доступных команд называется системой команд исполнителя.
• Программа — упорядоченная последовательность команд.
• Исполнитель не выполняет команду, которой нет в его системе команд.
• Универсальность позволяет одному исполнителю решать разные задачи.
• Чтобы компьютер решил задачу, ему нужно задать подходящую программу.