Добавлен: 25.06.2023
Просмотров: 86
Скачиваний: 3
ВВЕДЕНИЕ
Вычислительные системы и сети различного назначения являются основой развития современного общества. Компьютеры и суперкомпьютеры, микропроцессорные системы и микроконтроллеры, нейронные сети, системы с искусственным интеллектом, базы данных и базы знаний, экспертные системы, имитационные модели проникли во все сферы человеческой деятельности - в науку и образование, производство и торговлю, на транспорт и в банки, в здравоохранение и системы управления.
Вычислительные машины за свою полувековую историю прошли стремительный и впечатляющий путь, отмеченный частыми сменами поколений ЭВМ. В этом процессе развития можно выявить целый ряд закономерностей:
- весь период развития средств электронной вычислительной техники (ЭВТ) отмечен доминирующей ролью классической структуры ЭВМ (структуры фон Неймана), основанной на методах последовательных вычислений;
- основным направлением совершенствования ЭВМ является неуклонный рост производительности (быстродействия) и интеллектуальности вычислительных средств;
- совершенствование ЭВМ осуществлялось в комплексе (элементно-конструкторская база, структурно-аппаратурные решения, системно-программный и пользовательский, алгоритмический уровни);
- в настоящее время наметился кризис классической структуры ЭВМ, связанный с исчерпанием всех основных идей последовательного счета. Возможности микроэлектроники также не безграничны, давление пределов ощутимо и здесь.
Дальнейшее поступательное развитие вычислительной техники напрямую связано с переходом к параллельным вычислениям, с идеями построения многопроцессорных систем и сетей, объединяющих большое количество отдельных процессоров и (или) ЭВМ. Здесь появляются огромные возможности совершенствования средств вычислительной техники. Но следует отметить, что при несомненных практических достижениях в области параллельных вычислений до настоящего времени отсутствует их единая теоретическая база.
Термин вычислительная система появился в начале - середине 60-х гг. при появлении ЭВМ III поколения. Это время знаменовалось переходом на новую элементную базу - интегральные схемы. Следствием этого явилось появление новых технических решений: разделение процессов обработки информации, ее ввода-вывода, множественный доступ и коллективное использование вычислительных ресурсов в пространстве и во времени. Появились сложные режимы работы ЭВМ - многопользовательская и многопрограммная обработка.
Отражая эти новшества, и появился термин «вычислительная система». Он не имеет единого толкования в литературе, его иногда даже используют применительно к однопроцессорным ЭВМ. Однако общим здесь является подчеркивание возможности построения параллельных ветвей в вычислениях, что не предусматривалось классической структурой ЭВМ.
Под вычислительной системой (ВС) будем понимать совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для подготовки и решения задач пользователей. Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Создание ВС преследует следующие основные цели: повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных, повышение надежности и достоверности вычислений, предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.
В данной курсовой работе мы рассмотрим состав и свойства вычислительных систем, их информационное и математическое обеспечение.
1.Состав и свойства вычислительных систем.
1.1.Состав вычислительных систем.
Необходимо понимать разницу между компьютерами и вычислительной системой: компьютеры оснащены специальными программными системами, являются технической базой и инструментом для информационных систем. Информационная система немыслима без персонала, взаимодействующего с компьютерами и телекоммуникациями. Вычислительная система с технической точки зрения – это комплекс вычислительных средств, объединенных в информационно-вычислительную сеть. Принципы построения современных вычислительных систем:
- децентрализация управления;
- иерархическая (сетевая) структура;
- совмещение операций;
- программно-техническая платформа.
Рассматривая вычислительные системы, нельзя не упомянуть об автоматизированных информационных системах, в которых значительная часть рутинных операций информационного процесса выполняется с помощью технических средств под управлением человека. В противовес им существуют неавтоматизированные информационные системы – в них все операции по обработке информации выполняются самими работниками без применения технических средств и компьютерной техники. Коротко классификацию вычислительных систем можно представить так:
1.Назначение: универсальные, специализированные;
2.Тип: многопроцессорные, многомашинные;
3.Характер устройств: однородные, неоднородные;
4.Территория: совмещенные, разобщенные;
5.Управление: централизованные, децентрализованные, смешанные;
6.Режим работы: оперативные (реальный масштаб времени), неоперативные (инерционные);
7.Способ соединения элементов: с шинной схемой, с канальной схемой, с конвейерной схемой, с коммуникационной (переключаемой) схемой, с распределенной схемой.
В настоящее время наметился кризис классической структуры ЭВМ, связанный с исчерпанием всех основных идей последовательного счета. Возможности микроэлектроники также не безграничны, давление пределов ощутимо и здесь. Дальнейшее поступательное развитие вычислительной техники напрямую связано с переходом к параллельным вычислениям, с идеями построения многопроцессорных систем и сетей, объединяющих большое количество отдельных процессоров и (или) ЭВМ. Но следует отметить, что при несомненных практических достижениях в области параллельных вычислений до настоящего времени отсутствует их единая теоретическая база. Термин вычислительная система появился в начале - середине 60-х гг. при появлении ЭВМ III поколения. Это время знаменовалось переходом на новую элементную базу - интегральные схемы. Следствием этого явилось появление новых технических решений: разделение процессов обработки информации, ее ввода-вывода, множественный доступ и коллективное использование вычислительных ресурсов в пространстве и во времени. Появились сложные режимы работы ЭВМ - многопользовательская и многопрограммная обработка. Отражая эти новшества, и появился термин “вычислительная система”. Он не имеет единого толкования в литературе, его иногда даже используют применительно к однопроцессорным ЭВМ. Однако общим здесь является подчеркивание возможности построения параллельных ветвей в вычислениях, что не предусматривалось классической структурой ЭВМ. Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Создание ВС преследует следующие основные цели:
- повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных;
- повышение надежности и достоверности вычислений;
- предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг.
Параллелизм в вычислениях в значительной степени усложняет управление вычислительным процессом, использование технических и программных ресурсов. Эти функции выполняет операционная система ВС. Самыми важными предпосылками появления и развития вычислительных систем служат экономические факторы. Анализ характеристик ЭВМ различных поколений показал, что в пределах интервала времени, характеризующегося относительной стабильностью элементной базы, связь стоимости и производительности ЭВМ выражается квадратичной зависимостью - “законом Гроша”: производительность вычислительной машины всегда пропорциональна квадрату её стоимости. Построение же вычислительных систем позволяет существенно сократить затраты, так как для них существует линейная формула зависимости стоимости вычислительной системы от производительности самой системы и ее комплектующих. Кроме выигрыша в стоимости технических средств, следует учитывать и дополнительные преимущества. Наличие нескольких вычислителей в системе позволяет совершенно по-новому решать проблемы надежности, достоверности результатов обработки, резервирования, централизации хранения и обработки данных, децентрализации управления и т.д.
Основные принципы построения, закладываемые при создании ВС:
- возможность работы в разных режимах;
- модульность структуры технических и программных средств;
- унификация и стандартизация технических и программных решений;
- иерархия в организации управления процессами;
- способность систем к адаптации, самонастройке и самоорганизации.
ВС очень сильно отличаются друг от друга своими возможностями и характеристиками. Различия наблюдаются уже на уровне структуры. Структура ВС - это совокупность комплексируемых элементов и их связей. В качестве элементов ВС выступают отдельные ЭВМ и процессоры. Существует большое количество признаков, по которым классифицируют вычислительные системы: по целевому назначению и выполняемым функциям, по типам и числу ЭВМ или процессоров, по архитектуре системы, режимам работы, методам управления элементами системы, степени разобщенности элементов вычислительной системы и др. Однако, основными из них являются признаки структурной и функциональной организации вычислительной системы. Поговорим подробнее о различных классификациях ВС.
По назначению вычислительные системы делят на универсальные, проблемно-ориентированные и специализированные. Универсальные ВС предназначаются для решения самых различных задач. Проблемно-ориентированные используются для решения определенного круга задач в сравнительно узкой сфере. Специализированные системы ориентированы на решение узкого класса задач.
По типу вычислительные системы различаются на многомашинные и многопроцессорные ВС. Многомашинные вычислительные системы (ММС) появились исторически первыми. Уже при использовании ЭВМ первых поколений возникали задачи повышения производительности, надежности и достоверности вычислений. Многомашинная вычислительная система содержит несколько ЭВМ, каждая из которых имеет свою основную память и работает под управлением своей операционной системы, а также средства обмена информацией между машинами. Применение многомашинных систем позволяет повысить надежность вычислительных комплексов, однако при этом оборудование комплекса недостаточно эффективно используется для этой цели. Достаточно в каждой ЭВМ выйти из строя одному устройству, как вся система становится неработоспособной.
Многопроцессорные вычислительные системы (МПС) строятся при комплексировании нескольких процессоров. В качестве общего ресурса они имеют общую оперативную память (ООП). Параллельная работа процессоров и использование ООП обеспечиваются под управлением единой общей операционной системы. По сравнению с ММС здесь достигается наивысшая оперативность взаимодействия вычислителей-процессоров. Многие исследователи считают, что использование многопроцессорных вычислительных систем является основным магистральным путем развития вычислительной техники новых поколений. Однако многопроцессорные системы имеют и существенные недостатки. Они в первую очередь связаны с использованием ресурсов общей оперативной памяти. При большом количестве комплексируемых процессоров возможно возникновение конфликтных ситуаций, когда несколько процессоров обращаются с операциями типа “чтение” и “запись” к одним и тем же областям памяти. Помимо процессоров к ООП подключаются все каналы (процессоры ввода-вывода), средства измерения времени и т.д. Поэтому вторым серьезным недостатком многопроцессорных систем является проблема коммутации абонентов и доступа их к ООП. От того, насколько удачно решаются эти проблемы, и зависит эффективность применения многопроцессорных систем.
По типу ЭВМ или процессоров, используемых для построения ВС, различают однородные и неоднородные системы. Однородные системы предполагают комплексирование однотипных ЭВМ (процессоров), неоднородные - разнотипных. В однородных системах значительно упрощаются разработка и обслуживание технических и программных (в основном ОС) средств. В них обеспечивается возможность стандартизации и унификации соединений и процедур взаимодействия элементов системы. Упрощается обслуживание систем, облегчаются модернизация и их развитие. Вместе с тем существуют и неоднородные ВС, в которых комплексируемые элементы очень сильно отличаются по своим техническим и функциональным характеристикам. Обычно это связано с необходимостью параллельного выполнения многофункциональной обработки. Так, при построении многомашинных систем, обслуживающих каналы связи, целесообразно объединять в комплекс связанные, коммуникационные машины и машины обработки данных. В таких системах коммуникационные ЭВМ выполняют функции связи, контроля получаемой и передаваемой информации, формирования пакетов задач и т.д. ЭВМ обработки данных не занимаются не свойственными им работами по обеспечению взаимодействия в сети, а все их ресурсы переключаются на обработку данных. Неоднородные системы находят применение и в многопроцессорных системах. Многие ЭВМ, в том числе и ПЭВМ, могут использовать сопроцессоры: десятичной арифметики, матричные и т.п.
По степени территориальной разобщенности вычислительных модулей ВС делятся на системы совмещенного (сосредоточенного) и распределенного (разобщенного) типов. Обычно такое деление касается только многомашинных систем. Многопроцессорные системы относятся к системам совмещенного типа. Более того, учитывая успехи микроэлектроники, это совмещение может быть очень глубоким. При появлении новых СБИС (сверхбольших интегральных схем) появилась возможность иметь в одном кристалле несколько параллельно работающих процессоров. Совмещенные и распределенные многомашинные системы сильно различаются оперативностью взаимодействия в зависимости от удаленности ЭВМ. Время передачи информации между соседними ЭВМ, соединенными простым кабелем, может быть много меньше времени передачи данных по каналам связи. Как правило, все выпускаемые в мире ЭВМ имеют средства прямого взаимодействия и средства подключения к сетям ЭВМ. Для ПЭВМ такими средствами являются нуль-модемы, модемы и сетевые карты как элементы техники связи.