Файл: Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем (Классификация, состав и свойства вычислительных систем).pdf

Шина управления в отличие от шины адреса и шины данных состоит из отдельных управляющих сигналов, каждый из которых имеет свою функцию. Некоторые сигналы служат для стробирования передаваемых или принимаемых данных, т.е. определяют моменты времени, когда информационный код выставлен на шину данных [5]. Другие управляющие сигналы могут использоваться для подтверждения приема данных, сброса всех устройств в исходное состояние, тактирования всех устройств и т.д. Линии шины управления могут быть однонаправленными или двунаправленными.

Шина питания предназначена для питания системы. Каждому напряжению питания соответствует своя линия связи. Все устройства подключены к этим линиям параллельно.

Характеристики и свойства вычислительных систем

Важнейшими характеристиками вычислительной системы являются ее быстродействие и производительность. Быстродействие характеризуется числом определенного типа команд, выполняемых за одну секунду. Производительность — это объем работ (например, число стандартных программ), выполняемый в единицу времени [10, с. 204]. Определение характеристик быстродействия и производительность представляет собой очень сложную инженерную и научную задачу, до настоящего времени не имеющую единых подходов и методов решения.

На первый взгляд, более быстродействующая вычислительная техника должна обеспечивать более высокие показатели производительности. Однако практика измерений значений этих характеристик может давать противоречивые результаты [6, с. 180]. Основные трудности в решении данной задачи заключены в проблеме выбора: что и как измерять. Укажем наиболее распространенные подходы.

Одной из альтернативных единиц измерения быстродействия была и остается величина, измеряемая в MIPS (Million Instructions Per Second – миллион операций в секунду). В качестве операций здесь обычно рассматриваются наиболее короткие операции типа сложения. MIPS широко использовалась для оценки больших машин второго и третьего поколений, но для оценки современных вычислительных систем применяется достаточно редко по следующим причинам:

• набор команд современных микропроцессоров может включать сотни команд, сильно отличающихся друг от друга длительностью выполнения;
• значение, выраженное в MIPS, меняется в зависимости от особенностей программ;
• значение MIPS и значение производительности могут противоречить друг другу, когда оцениваются разнотипные вычислители (например, ЭВМ, содержащие сопроцессор для чисел с плавающей точкой и без него) [3].

---

При решении научно—технических задач в программах резко увеличивается удельный вес операций с плавающей точкой. В этом случае для больших однопроцессорных машин используется характеристика быстродействия, выраженная в MFPOPS (Million Floating Point Operation Per Second—миллион операций с плавающей точкой в секунду) [10, с. 224] Для персональных ЭВМ этот показатель практически не применяется из-за особенностей решаемых задач и структурных характеристик.

Для более точных комплексных оценок существуют тестовые наборы, которые можно разделить на три группы:

• наборы тестов фирм—изготовителей для оценивания качества собственных изделий (например, компания Intel для своих микропроцессоров ввела показатель iCOMP—Intel Comparative Microprocessor Performance);
• стандартные универсальные тесты для ЭВМ, предназначенных для крупномасштабных вычислений (например, пакет математических задач Linpack, по которому ведется список ТОР 500, включающий 500 самых производительных вычислительных систем в мире) [11, с. 225];
• специализированные тесты для конкретных областей применения.

Результаты оценивания вычислительных систем, проведенные по различным тестам несопоставимы. Наборы тестов и области применения компьютеров должны быть адекватны.

Емкость запоминающих устройств является важнейшей характеристикой ЭВМ. Она измеряется количеством структурных единиц информации, которые одновременно можно разместить в памяти [15, с. 177]. Этот показатель позволяет определить, какой набор программ данных может быть. Наименьшей структурной единицей информации является бит – одна двоичная цифра. Как правило, емкость памяти оценивается в более крупных единицах измерения — байтах (байт равен восьми битам). Следующими единицами измерения служат: 1 Гбайт=2¹⁰ =1024 байта, 1 Мбайт =2¹⁰ Кбайта=2²⁰, 1 Гбайт=2¹⁰ Мбайт=2²⁰ Кбайта=2³⁰ байта.

Надежность вычислительной системы – это способность выполнять возложенные на нее функции в течение заданного времени при определенных условиях [3]. Высокая надежность закладывается в процессе производства и использования технологий, позволяющих сократить число соединений, уменьшить нагрев электронных компонент и защитить от пыли.

Точность вычислительной системы – это возможность различать почти равные значения переменных. Точность получения результата обработки в основном определяется разрядностью ЭВМ, которая может составлять 32, 64 и 128 двоичных разрядов.

Необходимо отметить, что есть много применений, при которых не требуется большой точности, например при обработке текстов, управлении технологическими процессами, достаточно иметь 8— и 16— разрядные коды. При выполнении сложных математических расчетов необходима высокая разрядность (32, 64 и более), для ее достижения могут использоваться программные способы, что позволяет достигать практически любой необходимой для решения задач точности [10, с. 228].

---

Достоверность – свойство информации быть воспринятой адекватно тому источнику информации, который она представляет. Достоверность характеризует вероятность получения безошибочных результатов. Возможны методы контроля достоверности решения эталонных задач и повторных расчетов.

Основополагающие принципы (параллелизма, программируемости, однородности) и принципы модульности и близкодействия позволяют достичь полноты архитектурных свойств в вычислительных системах [2]. Важнейшими свойствами архитектуры ВС являются масштабируемость и универсальность. При этом следует учитывать, что не все свойства и не в полной мере могут проявляться в той или иной реализации ВС.

Под масштабируемостью ВС понимается их способность к наращиванию и сокращению ресурсов, возможность варьирования производительности. Сложность (трудоемкость) задач, которые решаются на вычислительных средствах, постоянно растет. Для сохранения в течение длительного времени за вычислительной системой способности быть адекватным средством решения сложных задач необходимо, чтобы она обладала архитектурным свойством масштабируемости [3]. Это означает, в частности, что производительность, достигнутую ВС на заданном количестве вычислителей, можно увеличить, добавив еще один или несколько вычислителей. Выполнение этого свойства ВС гарантируется принципами модульности, локальности, децентрализованности и распределенности.

Свойство наращиваемости производительности предоставляет потенциальную возможность решать задачи любой заданной сложности. Однако для практической реализации этой возможности требуется, чтобы алгоритм решения сложной задачи удовлетворял условию локальности, а межмодульные пересылки информации слабо влияли на время решения задачи. Это может быть достигнуто за счет крупноблочного распараллеливания сложных задач и (или) аппаратных средств, которые позволяют совместить межмодульные обмены информацией с вычислениями [10, с. 238].

Вычислительные системы алгоритмически и структурно универсальны. Принято считать, что ЭВМ, основанные на модели вычислителя, являются алгоритмически универсальными, если они обладают способностью без изменения своих структур реализовать алгоритм решения любой задачи. С другой стороны, ВС – это комплекс вычислителей, каждый из которых обладает алгоритмической универсальностью, следовательно, и система универсальна в общепринятом смысле [2].

В вычислительных системах могут быть реализованы не только любые алгоритмы, доступные ЭВМ, но и параллельные алгоритмы решения сложных задач. Последнее следует из определений модели комплекса вычислителей и, в частности, алгоритма функционирования ВС.

---

Структурная универсальность ВС – следствие воплощения архитектурных принципов коллектива вычислителей, в частности, принципа программируемости структуры [3]. Суть этого принципа – возможность автоматически (программно) порождать специализированные (проблемно—ориентированные) виртуальные конфигурации, которые подходят структурам и параметрам решаемых задач.

Таким образом, вычислительные системы сочетают в себе достоинства цифровой техники, где процесс вычислений в основном задается алгоритмически, или точнее программно, и аналоговой техники, где процесс вычислений предопределяется структурными схемами.

Структурная универсальность позволяет говорить и о специализированности ВС: для каждой задачи допустима автоматическая настройка такой конфигурации из ресурсов ВС, которая наиболее подходит алгоритму решения задачи [11, с. 259]. Итак, вычислительная система – это средство, в котором сочетаются противоположные свойства универсальности и специализированности.

Выводы:

• • 1. Вычислительная система – это совокупность ЭВМ и средств программного обеспечения, предназначенная для выполнения вычислительных процессов и основанная на использовании ЭВМ.
    2. По различным признакам вычислительные сети делятся на универсальные и специализированные, многомашинные и многопроцессорные, однородные и неоднородные, территориально—сосредоточенные, распределенные и многоуровневые, а также работающие в оперативном и неоперативном режимах.
    3. Аппаратное обеспечение вычислительных систем составляют внутренние и внешние по отношению к центральному процессору устройства, соединенные многочисленными последовательными и параллельными интерфейсами.
    4. Программное обеспечение вычислительных систем делится на прикладное, служебное, системное и базовое, работающее на разных уровнях системы. Особое место занимает операционная система, которая предназначена для управления ресурсами компьютера и организации взаимодействия с пользователем.
    5. Важнейшими характеристиками вычислительной системы являются ее быстродействие и производительность, главными свойствами — масштабируемость и универсальность.

Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем

---

Наряду с аппаратным и программным обеспечением средств вычислительной техники в некоторых случаях целесообразно рассматривать информационное обеспечение, под которым понимают совокупность программ и предварительно подготовленных данных, необходимых для работы данных программ. Рассмотрим, например, систему автоматической проверки орфографии в редактируемом тексте. Ее работа заключается в том, что лексические единицы исходного текста сравниваются с заранее заготовленным эталонным массивом данных (словарем) [3]. В данном случае для успешной работы системы необходимо иметь кроме аппаратного и программного обеспечения специальные наборы словарей, подключаемые извне. Это пример информационного обеспечения вычислительной системы.

В специализированных компьютерных системах (бортовых компьютерах автомобилей, судов, ракет, самолетов, космических летательных аппаратов и т. п.) совокупность программного и информационного обеспечения называют математическим обеспечением [8, с. 116]. Как правило, оно «жестко» записывается в микросхемы ПЗУ и может быть изменено только путем замены ПЗУ или его перепрограммирования на программаторах.

Состав требований к информационному обеспечению ВС обширен и содержит множество аспектов. Результатная информация, которая предоставляется пользователю по его запросу, должна иметь удобный для него вид. Базы данных, используемые для решения поставленных перед вычислительной системой задач, должны содержать всю необходимую для этого информацию. Неполнота и противоречивость данных недопустимы.

Форматы данных и сообщений, должны максимально эффективно использовать производительность технических средств [14, с. 168]. Различные сегменты ВС должны обладать свойством информационной совместимости. Это означает, что данные, различные по своей природе (аудио, видео, и пр.), должны обрабатываться одинаково эффективно.

Необходимость организации вычислительной системы подразумевает создание единой информационно—коммуникационной среды. Для этого могут быть применены две основные технологии — клиент-серверная и файл-серверная [14, с. 170]. Кроме этого, массивы информации в виде баз данных (БД), могут иметь статус коллективного (доступны всем пользователям) и индивидуального ресурса (имеется один владелец—пользователь).

БД, используемые в вычислительной системе, размещаются локально на одной ЭВМ или являются распределенными и располагаются на нескольких ЭВМ. Для управления БД применяются стандартные СУБД (системы управления БД) и СУРБД (системы управления распределенными БД) [6, с. 201].

---