Добавлен: 30.03.2023
Просмотров: 327
Скачиваний: 3
Введение
Актуальность темы курсовой работы заключается в следующем.
Необходимость в вычислениях всегда была неразрывно связана с практической деятельностью человека. Древнейшим счетным инструментом, который сама природа предоставила природа в распоряжение человека, была его собственная рука. Счет на пальцах использовался очень долго.
Следующим шагом в развитии счета стало использование камешков или других предметов, а для запоминания чисел-зарубок на палках или костях животных, узелков на верёвках. Позже появился специальный счетный прибор, называемый абаком (доска с желобками, в которых по позиционному принципу размещали какие-нибудь предметы-камешки, косточки и т. п.).
Впоследствии абак был усовершенствован, доска была заменена рамкой, камешки - шариками или дисками, нанизанными на нитки или прутики. И получились счеты, использование которых можно найти и в настоящее время.
Поскольку абак был не очень приспособлен для умножения и деления, то блестящим достижением математики явилось изобретение логарифмов Джоном Непером (1550- 1617). Это дало возможность заменить умножение и деление сложением и вычитанием и привело к созданию намного более совершенного и очень полезного инструмента – логарифмической линейки.
Эскиз механического суммирующего устройства был разработан еще Леонардо да Винчи (1452-1519). Первая механическая счетная машина была изготовлена в 1623 г. профессором математики Вильгельмом Шиккардом ( 1592 – 1636) . Но машина Шиккарда вскоре сгорела во время пожара, а рукописи Леонардо да Винчи были обнаружены лишь в 1967 г. Поэтому биография механических вычислительных устройств ведется от суммирующей машины. изготовленной в 1642 г. Блезом Паскалем (1623-1662), в дальнейшем великим математиком и физиком.
В 1673 г. другой великий математик Лейбниц разработал счетное устройство, на котором уже можно было умножать и делить. С некоторыми усовершенствованиями эти машины, а названы они были арифмометрами, использовались до недавнего времени.
Лишь в XIX столетии рост промышленности, транспорта и расширение коммерческой деятельности банков сделали построение быстродействующих и надежных счетных машин актуальной задачей.
Первая фирма, специализировавшаяся по выпуску счетных машин, была основана в США в 1887 г. В России арифмометры начали выпускаться с 1894 г. и производились более 70 лет.
Все вычислительные устройства, о которых шла речь, были ручными, т. е. требовали участия человека в процессе вычислений. Для выполнения каждой операции нужно было набрать исходные данные и привести в движение счетные элементы механизма. Результаты почти всех операций необходимо было записывать.
Мысль о создании автоматической вычислительной машины, которая бы работала без участия человека, впервые была высказана английским математиком Чарльзом Бэббиджем (1791 – 1864) в начале XIX в. В 1820-1822 гг. он построил машину, которая могла вычислять таблицы значений многочленов второго порядка. С 1934г. и до конца жизни Ч. Бэббидж работал над чертежами универсальной вычислительной машины, но сложность разработки чисто механического устройства и финансовые трудности не позволили ему изготовить работающий экземпляр.
Идеи Бэббиджа были осуществлены только в конце 30-х годов нашего века в машинах, работавших на электромагнитных реле. Первые вычислительные машины, у которых основными элементами были не реле, а электронные лампы были построены в Англии и США в 1943-1946 гг.
В СССР первая ЭВМ была построена в 1950 г. в Киеве под руководством академика С. А. Лебедева. Она называлась МЭСМ – малая электронно-счетная машина. Это было экспериментальное изделие, но уже в 1952 г. появилась серийно выпускаемая машина БЭСМ – быстродействующая электронно-счетная машина, последние варианты которой успешно работают и сейчас.
С этого времени и началось весьма энергичное развитие вычислительной техники. Позже электронные лампы заменены транзисторами, более надежными, экономичными и намного меньшими по размерам. В начале 60-х годов они уступили место еще более совершенным элементам – интегральным микросхемам. В настоящее время широко используются большие интегральные схемы (БИС).
Вычислительные системы создавались в начале для обеспечения и ускорения именно вычислений. Однако постепенно становились все более ясно, что на ЭВМ можно обрабатывать текстовую информацию, графическую, звуковую и т. д. Современную жизнь уже невозможно представить без использования вычислительных систем.
Целью курсовой работы является исследование состава и свойств вычислительных систем, а также их информационного и математического обеспечения.
Для достижения цели в работе поставлены задачи:
- рассмотреть состав и свойства вычислительных систем;
- привести информационное и математическое обеспечение вычислительных систем;
- дать краткий обзор вычислительных систем, использующих технологии повышения живучести;
- описать систему имитационного моделирования ДАС, как основу повышения эффективности вычислительных систем.
Предмет работы – вычислительные системы.
Объект работы – специфика состава и свойств вычислительных систем.
Теоретической и методологической основой данного курсового исследования являются работы отечественных авторов по выбранной тематике, таких как И. А. Бессмертный, Ю.М. Келим, О. П. Новожилов, А.П Пятибратов, В.В Степина, В. В. Соколова и других.
Структура курсовой работы состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы.
1. Состав и свойства вычислительных систем
Вычислительная техника (ВТ) − это совокупность устройств, предназначенных для автоматизированной обработки данных [9].
Вычислительная система (ВС) – это конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенный для обслуживания одного рабочего участка [8].
Центральным устройством большинства ВС является компьютер (ЭВМ).
Компьютер (англ. computer — «вычислитель»), ЭВМ (электронная вычислительная машина) - комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.
Вычислительные системы бывают однородные и неоднородные[4].
Однородная ВС строится на основе однотипных компьютеров или процессоров. Неоднородная ВС включает в свой состав различные типы компьютеров или процессоров. При построении системы приходится учитывать их различные технические и функциональные характеристики, что существенно усложняет создание и обслуживание таких систем.
Различают ВС с централизованным и децентрализованным управлением.
В первом случае управление выполняет выделенный компьютер или процессор, во втором случае все компоненты равноправны и могут брать управление на себя.
Кроме того, ВС могут быть:
- территориально-сосредоточенными, то есть все компоненты размещены в непосредственной близости друг от друга;
- распределенными, то есть компоненты располагаются на расстоянии друг от друга;
- одноуровневыми, то есть имеется один общий уровень обработки данных;
- многоуровневыми, или иерархическими. В них процессоры распределены по разным уровням обработки информации. Некоторые процессоры специализируются на выполнении определенных функций.
ВС делятся на многомашинные и многопроцессорные.
Многомашинная ВС содержит несколько компьютеров, взаимодействующих между собой. Компьютеры могут находиться рядом друг с другом или удалены на некоторое расстояние.
Каждый компьютер работает под управлением своей операционной системы (ОС). Информационное взаимодействие компьютеров может быть организовано на уровне процессоров; оперативной памяти (ОП) или каналов связи.
В многопроцессорной ВС имеется несколько процессоров, информационно взаимодействующих между собой либо на уровне регистров процессорной памяти, либо на уровне оперативной памяти. В большинстве случаев организуется общее для всех процессоров поле оперативной памяти. Такая система работает под управлением единой операционной системы, общей для всех процессоров.[2]
Состав вычислительной системы называется конфигурацией. В нее входит аппаратное и программное обеспечение.[10]
К аппаратному обеспечению вычислительных систем относятся устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию. Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочно-модульную конструкцию -аппаратную конфигурацию, необходимую для исполнения конкретных видов работ, можно собирать из готовых узлов и блоков.
Программное обеспечение. Программы - это упорядоченные последовательности команд. Конечная цель любой компьютерной программы - управление аппаратными средствами. Даже если на первый взгляд программа никак не взаимодействует с оборудованием, не требует никакого ввода данных с устройств ввода и не осуществляет вывод данных на устройства вывода, все равно ее работа основана на управлении аппаратными устройствами компьютера.
Программное и аппаратное обеспечение в компьютере работают в неразрывной связи и в непрерывном взаимодействии.
Состав программного обеспечения вычислительной системы называют программной конфигурацией. Уровни программного обеспечения представляют собой пирамиду (рисунок 1) [6]:
Прикладное ПО
Служебное ПО
Системное ПО
Базовое ПО
Рис. 1. Уровни программного обеспечения
Самый низкий уровень программного обеспечения представляет базовый уровень.
Системный уровень — переходный. Программы, работающие на этом уровне, обеспечивают взаимодействие прочих программ компьютерной системы
Служебный уровень. Программное обеспечение этого уровня взаимодействует как с программами базового уровня, так и с программами системного уровня.
Прикладной уровень. Программное обеспечение прикладного уровня представляет собой комплекс прикладных программ, с помощью которых на данном рабочем месте выполняются конкретные задания.
Основополагающие принципы (параллелизма, программируемости, однородности) и принципы модульности и близкодействия позволяют достичь полноты архитектурных свойств в вычислительных системах [3].
Важнейшие свойства архитектуры ВС [10]:
Под масштабируемостью ВС понимается их способность к наращиванию и сокращению ресурсов, возможность варьирования производительности. Сложность (трудоемкость) задач, решаемых на вычислительных средствах, постоянно растет. Для сохранения в течении длительного времени за вычислительной системой способности быть адекватным средством решения сложных задач необходимо, чтобы она обладала архитектурным свойством масштабируемости. 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 априори 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) аппаратурных средств, позволяющих совместить межмодульные обмены информацией с вычислениями.
Универсальность ВС.
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 коллектив вычислителей, каждый из которых обладает алгоритмической универсальностью, следовательно, и система универсальна (в общепринятом смысле).
В вычислительных системах могут быть реализованы не только любые алгоритмы, доступные ЭВМ, но и параллельные алгоритмы решения сложных задач. Последнее следует из определений модели коллектива вычислителей и, в частности, алгоритма функционирования ВС.
Структурная универсальность ВС – следствие воплощения архитектурных принципов коллектива вычислителей, в частности, принципа программируемости структуры. Суть этого принципа – возможность автоматически (программно) порождать специализированные (проблемно-ориентированные) виртуальные конфигурации, которые адекватны структурам и параметрам решаемых задач.