Файл: Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем..pdf

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность тема. Вычислительная система - это совокупность аппаратных и программных средств, которые обеспечивают автоматизацию, сбор, накопление, обработку, систематизацию, сохранение, представление, передачу информации.

Вычислительные системы используют повсеместно. А популярность распределенный и облачных вычислений, говорит о том что в области IT-технологий большую нишу занимают работы, выполняемые вычислительными системами.

Предмет исследования – состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем.

Объект исследования – технологии программирования.

Цель работы – состав и свойства вычислительных систем. А также информационное и математическое обеспечение вычислительных систем.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Рассмотреть основные определения вычислительных систем;

2. Описать классификацию вычислительных систем;

3. Изучить состав и свойства вычислительных систем;

4. Рассмотреть информационное обеспечение вычислительных систем;

5. Описать математическое обеспечение и методики его разработки.

Данная тема широко освещена в работах по программированию на различных языках, в работах зарубежных и российских авторов: Кузьмич, Р.И., Степина, В. В., Сергеев, С. Л., Ларин, М. В

Структура работы. Работа выполнена на 35 листах, содержит 14 рисунков и 2 листинга программы.

ГЛАВА 1. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

1.1. История и классификация вычислительных систем

Вычислительная система, совокупность аппаратно-программных средств, образующих единую среду, предназначенную для решения задач обработки информации (вычислений) [1]^[1].

Первые компьютеры создавались на основе однопроцессорных ЭВМ, процессоры управляли операциями ввода-вывода, но при этом скорость работы внешнего устройства значительно меньше скорости работы процессора, поэтому во время операций ввода-вывода процессор простаивал. В конце 1950-х – нач. 1960-х гг. для параллельного выполнения вычислений и операций обмена данными ЭВМ стали комплектовать независимыми процессорами ввода-вывода, ну а также был осуществлён переход на новую элементную базу - интегральные схемы. В результате такого перехода, появились новые технические решения [2]^[2]:

---

• разделение процессов обработки информации и ее ввода-вывода,
• множественный доступ и коллективное использование вычислительных ресурсов в пространстве и во времени.
• многопользовательская и многопрограммная обработка.

Вот с этого момента, считается и появился термин «вычислительная система»

Отличительной особенностью вычислительной системы по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Создание вычислительной системы необходимо для [8]^[3]:

• повышения производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных,
• повышения надежности и достоверности вычислений,
• предоставления пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.

Существует множество классификаций вычислительных систем[9]^[4]. Рассмотрим в курсовой работе некоторые (Рисунок 1).

Рисунок – Классификация вычислительных систем

1. Классификация вычислительных систем - по назначению [9]^[5]:

• универсальные вычислительные системы – ориентированы на решение широкого класса задач,
• специализированные вычислительные системы - ориентированы на решение узкого класса задач.

2. Классификация вычислительных систем - по типу построения:

• многомашинные вычислительные системы - вычислительная система строится на базе нескольких компьютеров,
• многопроцессорные вычислительные системы - вычислительная система строится на базе нескольких процессоров.

Многомашинные вычислительные системы появились раньше, чем многопроцессорные. Основные отличия многомашинных вычислительных систем заключаются в организации связей и обмена информацией между ЭВМ[7]^[6]. Многомашинная вычислительная система может быть организовано на уровне:

• процессоров – тогда информационная связь реализуется через регистры процессорной памяти (на уровне специальных возможностей операционной системы);
• оперативной памяти – сводится к программной реализации общего поля оперативной памяти(на уровне специальных возможностей операционной системы);
• каналов связи - формируется общее поле внешней памяти и общий доступ к устройствам ввода-вывода (реализуется внешними программами-драйверами).

Работа многопроцессорных систем [1]^[7] сводятся к созданию общего поля оперативной памяти для всех процессоров. Многопроцессорные системы работают под управлением единой операционной системы, общей для всех процессоров.

---

Многопроцессорные системы имеют следующие недостатки [11]^[8]:

• при большом количестве объединяемых процессоров возможно возникновение конфликтных ситуаций, в которых несколько процессоров обращаются с операциями типа ”чтение” и ”запись” к одним и тем же ячейкам памяти.
• проблема коммутации и доступа абонентов к оперативной памяти.

Опыт построения подобных систем показал, что они эффективны при небольшом числе объединяемых процессоров (от 2 до 10).

Типичным примером массовых многомашинных вычислительных систем могут служить компьютерные сети, примером многопроцессорных вычислительных систем — суперкомпьютеры.

3. Классификация вычислительных систем[7]^[9] - по типу ЭВМ или процессоров, используемых для построения вычислительных систем, различают:

• однородные системы – вычислительная система строится на базе однотипных компьютеров или процессоров. Однородные системы позволяют использовать стандартные наборы технических, программных средств, стандартные протоколы (процедуры) сопряжения устройств.
• неоднородные системы - – вычислительная система 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 неоднородных

4. Классификация вычислительных систем - по методам управления:

• централизованные - управление у главной или диспетчерской ЭВМ (процессор),
• децентрализованные - функции управления распределены между ее элементами.
• со смешанным управлением - совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управления.

5. Классификация вычислительных систем - по принципу закрепления вычислительных функций :

• системы с жестким закреплением функций,
• системы с плавающим закреплением функций.

6. Классификация вычислительных систем[7]^[10]- по степени территориальной разобщенности вычислительных модулей вычислительных систем:

• территориально-сосредоточенные вычислительные системы – все компоненты располагаются в непосредственной близости друг от друга;
• распределенные вычислительные системы – компоненты располагаться на значительном расстоянии друг от друга;
• структурно-одноуровневые вычислительные системы – имеют один общий уровень обработки данных;
• многоуровневые (иерархические) вычислительные структуры – машины или процессоры распределены по разным уровням обработки информации.

---

7. Классификация вычислительных систем[10]^[11] - по режиму работы :

• системы, работающие в оперативном временном режиме - используют режим реального масштаба времени,
• системы, работающие в неоперативном временном режиме.

1.2. Состав и свойства вычислительных систем

Состав вычислительной системы называется конфигурацией. Аппаратные и программные средства вычислительной техники принято рассматривать отдельно. Такой принцип разделения имеет для информатики особое значение, поскольку очень часто решение одних и тех же задач может обеспечиваться как аппаратными, так и программными средствами (Рисунок 2).

Рисунок – Состав вычислительных систем

К аппаратным средствам[10]^[12] относятся электронные схемы, из которых построена вычислительная система, и схемы, обеспечивающие их работоспособность.

К программным средствам относятся последовательности команд, реализующие решение задач и функции по обработке информации.

Критериями выбора аппаратного или программного решения являются производительность и эффективность [6]^[13]. Обычно принято считать, что аппаратные решения в среднем оказываются дороже, зато реализация программных решений требует более высокой квалификации персонала.

Общая схема аппаратного обеспечения[6]^[14] вычислительной системы показана на рисунке 3.

Рисунок - Общая схема аппаратного обеспечения вычислительной системы

К аппаратному обеспечению вычислительных систем обычно относят [4]^[15]:

• центральный процессор (процессоры) - устройство, выполняющее арифметические и логические операции, и управляющее другими устройствами компьютера
• оперативная память - энергозависимая память (при выключении компьютера вся записанная на ней информация стирается). ОЗУ используется для чтения и записи
• Системная шина (информационная магистраль) соединяет устройства внутри системного блока компьютера и обеспечивает их взаимодействие. Это набор дорожек на на материнской плате, по которым передается информация в виде сигналов.
• периферийные устройства
• сетевое оборудование

---

Кроме того, в аппаратное обеспечение компьютера также входят внешние (по отношению к системному блоку) компоненты — периферийные устройства [4]^[16]:

• Устройства ввода
• клавиатура
• мышь, трекбол или тачпад
• графический планшет
• джойстик
• сканер
• микрофон
• устройства вывода
• монитор
• колонки/наушники
• печатающие устройства типа принтера или плоттера
• для связи используются различные модемы и сетевое оборудование: маршрутизатор, сетевой коммутатор, беспроводная точка доступа.

Архитектура вычислительных систем [5]^[17] — совокупность важнейших решений об организации вычислительной системы

Архитектура состоит из следующих понятий:

• структурные элементы, их интерфейсы, а также поведение структурных элементов, из которых состоит система;

• включенные выбранные элементы структуры и поведения всех систем;

• архитектурный стиль, лежащий в основе всей организации - все элементы, их интерфейсы, их сотрудничество и их связи.

Наиболее характерными видами современных вычислительных систем являются [5]^[18]:

• Встроенные программные системы
• Клиент-серверные системы
• Интегрированные распределенные решения
• Системы реального времени
• Web – сервисы
• Системы мобильных устройств
• Системы носимых компьютеров
• Системы для управления информацией
• Вычислительные системы промежуточного уровня
• Вычислительные системы для виртуализации
• Облачные вычисления и центров обработки данных
• Системы для управления знаниями
• Системы для научных вычислений

В целом для современного развития программных систем характерна тенденция к значительному усложнению архитектуры.

Клиент-серверные [10]^[19] системы широко используются в течение последних десятков лет. Известны основные типы серверов:

• сервера приложений,
• веб-сервер,
• сервер баз данных,
• почтовый сервер,
• файловый сервер, и другие (Рисунок 4)

Рисунок – Клиент-серверные системы

.Сегодня, большинство Web-приложений разработаны на .NET или Java-платформы, хотя некоторые программисты и бизнес-компании до сих пор пишут веб-приложения в C. В веб-программировании также широко используемых языков с динамическими типами - JavaScript, Python, Ruby, для который характерно динамическое изменение типов переменных. Что удобно, так как это отражает динамичный характер веб-приложений и веб-сайтов[6]^[20].

---