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

Математическое обеспечение – это совокупность математических методов, моделей, алгоритмов обработки информации, которые используются при решении задач в вычислительной системе, и является составной частью ее программного обеспечения [8, с. 118]. Математическое обеспечение (МО) состоит из алгоритмического и программного.

Алгоритмическое обеспечение (АО) — это совокупность математических методов, моделей и алгоритмов, используемых в системе для решения задач и обработки информации.

Программное обеспечение (ПО) подразделяется на общее и специальное ПО. Общее программное обеспечение (ОПО) — это машинно-ориентированное ПО. Оно реализовано в виде операционной системы, которая управляет работой вычислительной системы, тестовых программ и системы программирования, автоматизирующей процесс написания и отладки прикладных программ на языках высокого уровня. Специальное программное обеспечение (СПО) является проблемно-ориентированным и реализуется в виде комплекса программ решения конкретных задач ВС. Оно подразделяется на общесистемное и прикладное программное обеспечения.

Прикладные и обеспечивающие программы формируются, прежде всего, на базе математических методов. В тех случаях, когда для решения той или иной задачи не удается подобрать математический метод, используются эвристические алгоритмы.

Одна из классификаций математического обеспечения предполагает деление его на следующие разделы: подпрограммы, пакеты программ, библиотеки программ, системы математического обеспечения [3].

Подпрограммы — это наиболее известный и часто используемый раздел математического обеспечения. Он состоит из отдельных подпрограмм или программ, которые содержат небольшой набор подпрограмм. В настоящее время подпрограммы научно—технического характера публикуются в основном на языке Си. Кроме того, язык Фортран сохраняет позиции как язык публикаций для описания вычислительных алгоритмов.

Пакетом программ называют комплекс программ для решения серийных задач в конкретной области науки и техники. Пакет прикладных программ (ППП) — это система взаимосвязанных программ и средств организации процесса вычислений [14, с. 174]. При помощи этих средств, в рамках реализованной в пакете стратегии организации вычислений, автоматически генерируется цепочка прикладных вычислительных программ для проведения конкретного вычислительного эксперимента. Базовым уровнем пакетов этого класса служит пакет BLAS (Basic Linear Algebra Subroutine), реализующий основные операции нижнего уровня вычислительной линейной алгебры. Он входит в состав всех пакетов и библиотек линейной алгебры, обеспечивая низкоуровневый интерфейс между программами широкого класса библиотек и ЭВМ различных архитектур [8, с. 127]. Пакет разделяется на три уровня BLAS: Level 1 BLAS — для векторных операций, Level 2 BLAS — для матрично-векторных операций, Level 3 BLAS — для матричных операций. Этот пакет был разработан еще в 70—е гг. поэтому возникла необходимость разработки методологии автоматической генерации высокоэффективных подпрограмм для современных вычислительных машин.

Наиболее простой и широко используемый метод оптимизации программ пакета заключается в параметризации характеристик вычислителей и использовании этих данных на уровне трансляции приложений. Другим способом оптимизации программ пакета является разработка кодового генератора [8, с. 133]. Основой такой технологии является возможность генерации нескольких вариантов объектного кода, а адаптация пакета заключается в определении его наилучшей версии для конкретной архитектуры ЭВМ и может производиться с учетом времени счета эталонных задач. Эти технологии использовались, к примеру, в рамках проекта ATLAS (Automatically Tuned Linear Algebra Software), для создания инструментальных систем разработки программного обеспечения для адаптации оптимального объектного кода пакета линейной алгебры на различные архитектуры ЭВМ.

Библиотеки программ состоят из набора пакетов программ (пакет пакетов), предназначенных для решения широкого круга задач, например задач численного анализа, математической статистики и др. [3]. Прототипами библиотек можно считать программы общего назначения, поставляемые производителями ЭВМ для своих машин.

Система математического обеспечения — это библиотека программ широкого назначения с проблемно—ориентированным языком, обеспечивающим дружественный интерфейс с пользователями. Одной из старейших систем математического обеспечения ЭВМ является MATLAB [10, с. 344]. В расчетах допускается использования таких мощных типов данных, как многомерные массивы чисел, символов, структур, задаваемых пользователями. Область применения MATLAB — это построение математических моделей и разработка алгоритмов, программирование и проведение вычислений, использование научной и технической графики для визуализации и анализа данных.

Прогресс технологии производства оборудования ЭВМ значительно опережает темпы роста производства программного обеспечения. Поэтому очень велико значение систем математического обеспечения как элемента индустриальной технологии разработки программ приложений. Современное МО, кроме программ элементарных математических функций для вычисления синусов и логарифмов и др., содержит обширный набор стандартных программ для реализации массовых вычислительных алгоритмов [3]. Техника сборки программы из готовых вычислительных компонент снижает трудоемкость программирования приложений. Значительное усложнение программирования из-за появления многопроцессорных кластеров и графических процессоров повышает роль такой техники.

Библиотечная программа для расширения области применения должна допускать широкую вариацию входных параметров, обеспечивать настройку на особенности исходных данных и аппаратного обеспечения [8, с. 159]. Наиболее впечатляющих успехов структуризация библиотечных программ достигла при программировании ППП для задач линейной алгебры. Особенностью данного класса задач является устойчивость большинства алгоритмов: эффективность вычислений зависит главным образом от особенностей размещения данных в памяти ЭВМ.

Один из главных критериев качества математического обеспечения —надежность вычислений, которая обеспечивается, в частности, сертификацией библиотечных программ. Будущее данного направления — в ускоренном развитии технологии «облачных пакетов» — генерация сертифицированных пакетов программ с открытым исходным кодом, которые настроены на заданную предметную область и конкретную ВС [4, с. 307].

Вывод: Информационное обеспечение — это совокупность программ и предварительно подготовленных данных для работы данных программ. Математическое обеспечение – математические методы, модели, алгоритмы обработки информации, которые являются составной частью ее программного обеспечения.

Заключение

По результатам исследования, проведенного в ходе написания курсовой работы, можно сделать следующие 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.
    6. Информационное обеспечение вычислительной системы — это совокупность программ и предварительно подготовленных данных для работы данных программ. Математическое обеспечение – математические методы, модели, алгоритмы обработки информации, которые являются составной частью ее программного обеспечения.

В заключение хотелось бы также сказать, что перспективы развития вычислительных систем, по мнению многих российских ученых, будут связаны с совершенствованием суперкомпьютерных технологий. В развитии суперкомпьютерной отрасли можно выделить два слоя:

• • технологии уровня N — это суперкомпьютерные технологии будущего, которые еще не вполне освоены, а только—только разрабатываются.
  • инновационные технологии — это совершенно новые технические решения, недоступные на рынке.

Большие перспективы для развития аппаратного обеспечения вычислительных систем ученые видят также в нанотехнологиях, с развитием которых станет возможным синтез в массовых количествах любых технических устройств, а также создание структур, способных к эволюции и саморазвитию.

Список использованных источников

Андреев А.М. Многопроцессорные вычислительные системы: теоретический анализ, математические модели и применение / А.М. Андреев. — М.: Изд-во МГТУ, 2015. — 332 с.

1. Архитектурные свойства вычислительных систем. URL: https://studopedia.ru/6_130905_arhitekturnie-svoystva-vichislitelnih-sistem.html (дата обращения 08.05.2019 г.)
2. Базовые принципы организации вычислительных систем. URL: https://siblec.ru/telekommunikatsii/vychislitelnye-sistemy-seti-i-telekommunikatsii/1-bazovye-printsipy-organizatsii-vychislitelnykh-sistem (дата обращения 04.05.2019 г.)
3. Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учебник для вузов / В.Л. Бройдо, О.П. Ильина. — СПб.: Питер, 2016. — 560 с.
4. Видовой состав вычислительных и автоматизированных систем. URL: http://www.gpntb.ru/win/book/2/Doc4.HTML (дата обращения 02.05.2019 г.)
5. Горнец Н.Н. ЭВМ и периферийные устройства. Компьютеры и вычислительные системы / Н.Н. Горнец. — М.: Академия, 2016. — 233 с.
6. Информатика. Базовый курс / Под ред. С. В. Симоновича. – СПб.: Питер, 2016. — 640 с.
7. Козлов В.Н. Математика и информатика / В.Н. Козлов. — СПб.: Питер, 2014. — 266 с.
8. Молчанов А.Ю. Системное программное обеспечение: Учебник для вузов / А.Ю. Молчанов. — СПб.: Питер, 2016. —182 с.
9. Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем: Учебник для вузов / С.А. Орлов, Б.Я. Цилькер. — СПб.: Питер, 2014. — 688 с.
10. Пятибратов А.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации / А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко. — М.: Проспект, 2016. — 332 с.
11. Радченко Г.И. Распределенные вычислительные системы: учебное пособие. / Г.И. Радченко. — М.: Фотохудожник, 2017. — 182 с.
12. Состав вычислительной системы. URL: http://csaa.ru/sostav-vychislitelnoj-sistemy/ (дата обращения 02.05.2019 г.)
13. Фисун В.А. Математическое обеспечение вычислительных систем // Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана. Сер. «Естественные науки». — 2012. — С. 168—187.
14. Чекмарев Ю.В. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации / Ю.В. Чекмарев. — М.: ДМК Пресс, 2017. — 184 с.