Файл: Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем (Состав и свойства вычислительных систем).pdf
Добавлен: 31.03.2023
Просмотров: 79
Скачиваний: 2
ВВЕДЕНИЕ
Компьютеры за свою полувековую историю прошли быстрый и впечатляющий путь, отмеченный частыми поколениями компьютеров. В этом процессе разработки можно определить ряд закономерностей:
- весь период развития средств вычислительной электронной техники отмечен доминирующей ролью классической структуры ЭВМ, основанной на последовательных вычислительных методах;
- основное направление совершенствования компьютеров - это неуклонный рост производительности (скорости) и интеллекта вычислительных средств;
- разработка компьютера велась в комплексе (элементная база проектирования, структурные и аппаратные решения, системно-программный и пользовательский, алгоритмический уровни);
- в настоящее время произошел кризис в классической структуре ЭВМ, связанный с исчерпанием всех основных идей последовательного подсчета. Возможности микроэлектроники тоже не безграничны, здесь ощутимо давление пределов.
Дальнейшее прогрессивное развитие компьютерных технологий напрямую связано с переходом к параллельным вычислениям с идеями построения многопроцессорных систем и сетей, которые объединяют большое количество отдельных процессоров и (или) компьютеров. Есть огромные возможности для улучшения компьютерных технологий.
Вычислительная техника позволила значительно ускорить темпы выполнения научно-исследовательских разработок в области математики, кибернетики, физики, химии, биологии и многих других отраслей. Она сделала возможным качественный скачок в области автоматизации производства, в организации систем учёта и контроля, в сфере планирования и управления.
Отличительной особенностью вычислительных систем по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку.
Состав, свойства и обеспечение вычислительных систем исследовали в своих работах такие авторы, как Грейбо С.В., Гусева А.И, Емельянова С.В., Замятина О.М., Коломейченко А.С., Кузин А.В., Максимов Н.В., Мелехин В.Ф., Мельников В.П., Новожилов Е.О., Свиридова М.Ю., Сенкевич А.В., Сидоров В.Д., Таненбаум Э.С., Тельнова Ю.Ф., Фисун В.А. и др.
Целью данной курсовой работы является исследование состава и свойств вычислительных систем, а также информационного и математического обеспечения вычислительных систем.
Достижение поставленной цели обуславливает решение следующих задач:
- исследовать состав и свойства вычислительных систем;
- рассмотреть свойства вычислительных систем;
- изучить информационное обеспечение вычислительных систем;
- рассмотреть математическое обеспечение вычислительных систем.
Объектом исследования данной курсовой работы являются вычислительные системы.
Предметом исследования данной курсовой работы являются состав, свойства и обеспечение вычислительных систем.
Теоретическую базу исследования составили учебные пособия, монографии.
Глава 1. Состав и свойства вычислительных систем
1.1. Состав и свойства вычислительных систем
Термин вычислительная система появился при появлении ЭВМ III поколения в начале - середине 60-х гг.. Знаменовалось это время переходом на элементную новую базу - интегральные схемы. Результатом этого стало появление новых технических решений: коллективное использование во времени и в пространстве и множественный доступ к вычислительным ресурсам; разделение процессов ввода-вывода и обработки информации. Появились сложные режимы работы ЭВМ - многопрограммная и многопользовательская обработка [7, с.26].
Вычислительная система - совокупность взаимодействующих и взаимосвязанных процессоров или ЭВМ, программного обеспечения и периферийного оборудования, предназначенная для сбора, обработки, хранения и распределения информации.
По отношению к ЭВМ отличительной особенностью вычислительной системы является наличие нескольких вычислителей в них, реализующих параллельную обработку. Преследует создание вычислительной системы такие основные цели:
- повышение достоверности и надежности вычислений,
- повышение производительности системы путем ускорения процессов обработки данных,
- предоставление дополнительных сервисных услуг пользователям и т.д. [13, с.43].
Состав вычислительной системы называется конфигурацией. Принято рассматривать аппаратные и программные средства вычислительной техники отдельно. Соответственно, рассматривают отдельно аппаратную конфигурацию вычислительных систем и программную их конфигурацию. Для информатики такой принцип разделения имеет особое значение, поскольку решение одних и тех же задач очень часто обеспечиваться может как аппаратными, так и программными средствами. Производительность и эффективность являются критериями выбора аппаратного или программного решения. Обычно считать принято, что в среднем аппаратные решения оказываются дороже, зато реализация программных решений требует более высокой квалификации персонала.
К аппаратному обеспечению вычислительных систем относятся приборы и устройства, образующие аппаратную конфигурацию. Современные вычислительные комплексы и компьютеры имеют блочно-модульную конструкцию — аппаратную конфигурацию, которая необходима для исполнения конкретных видов работ, собирать можно из готовых блоков и узлов [5, с.18].
По способу расположения устройств относительно центрального процессорного устройства (ЦПУ) различают внешние и внутренние устройства. Внешними являются, .как правило, большинство устройств ввода-вывода данных (их называют также периферийными устройствами) и некоторые предназначенные для длительного хранения данных устройства.
Согласование между отдельными блоками и узлами выполняют с помощью аппаратно-логических переходных устройств, называемых аппаратными интерфейсами. Стандарты в вычислительной технике на аппаратные интерфейсы называют протоколами. Таким образом, протоколом является совокупность технических условий, которые обеспечены должны быть разработчиками устройств с целью успешного согласования с другими устройствами их работы.
Присутствующие в архитектуре любой вычислительной системы многочисленные интерфейсы условно можно разделить на большие две группы: последовательные и параллельные. Данные передаются через последовательный интерфейс, бит за битом, последовательно, а через параллельный —группами битов одновременно. Количество участвующих в одной посылке битов определяется разрядностью интерфейса, к примеру параллельные восьмиразрядные интерфейсы передают за один цикл один байт (8 бит).
Параллельные интерфейсы имеют обычно более сложное устройство, чем последовательные, но обеспечивают более высокую производительность. Применяют их там, где важна скорость передачи данных: для подключения устройств ввода графической информации, печатающих устройств, устройств записи на внешний носитель данных и т. п. Измеряют производительность параллельных интерфейсов байтами в секунду (Кбайт/с; байт/с; Мбайт/с).
Устройство последовательных интерфейсов проще; для них, как правило, не надо работу передающего и принимающего устройства синхронизировать (поэтому называют их часто асинхронными интерфейсами), но у них меньше пропускная способность и ниже коэффициент полезного действия, так как полезные данные из-за отсутствия синхронизации посылок предваряют и завершают посылками служебных данных, то есть могут приходиться на один байт полезных данных 1-3 служебных бита (конкретный протокол определяет состав и структуру посылки).
Поскольку производится обмен данными через последовательные устройства не байтами, а битами, измеряют их производительность битами в секунду (бит/с, Кбит/с, Мбит/с). Несмотря на кажущуюся простоту перевода единиц измерения скорости последовательной передачи в единицы измерения скорости параллельной передачи данных путем механического деления на 8, не выполняют такой пересчет, поскольку из-за наличия служебных данных он не корректен. В крайнем случае, с поправкой на служебные данные, иногда выражают скорость последовательных устройств в знаках в секунду или в символах в секунду (с/с), что тоже самое, но имеет эта величина не технический, а справочный, потребительский характер.
Применяют последовательные интерфейсы для подключения «медленных» устройств (устройств ввода и вывода сигнальной и знаковой информации, простейших устройств печати низкого качества, малопроизводительных устройств связи, контрольных датчиков и т. п.), а также тогда, когда в продолжительности обмена данными нет существенных ограничений (большинство цифровых фотокамер) [9, с.71].
Программное и аппаратное обеспечение работают в компьютере в непрерывном взаимодействии и в неразрывной связи.
Программы — упорядоченные последовательности команд. Конечной целью любой компьютерной программы является управление аппаратными средствами. Даже если программа на первый взгляд с оборудованием никак не взаимодействует, не требует с устройств ввода никакого ввода данных и не осуществляет на устройства вывода вывод данных, все равно основана ее работа на управлении аппаратными устройствами компьютера.
Состав программного обеспечения вычислительной системы называют программной конфигурацией. Как и между физическими блоками и узлами, между программами существует взаимосвязь — работают многие программы, опираясь на другие программы более низкого уровня, то есть, говорить можно о межпрограммном интерфейсе. Возможность существования такого интерфейса основана тоже на существовании протоколов и технических условий взаимодействия, а на практике обеспечивается он распределением программного обеспечения на несколько уровней, взаимодействующих между собой. Уровни программного обеспечения имеют вид пирамидальной конструкции. Опирается каждый следующий уровень на программное обеспечение предшествующих уровней. Удобно такое членение для всех этапов работы с вычислительной системой, начиная с установки программ до технического обслуживания и практической эксплуатации. Каждый вышележащий уровень функциональность всей системы повышает. Так, к примеру, вычислительная система с программным обеспечением базового уровня выполнять не способна большинство функций, но установить позволяет системное программное обеспечение.
1) Базовый уровень. Самый низкий уровень программного обеспечения представляет базовое программное обеспечение. Отвечает оно за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Базовые программные средства, как правило, входят непосредственно в состав базового оборудования и хранятся в специальных микросхемах, называемых запоминающими постоянными устройствами (ПЗУ). Программы и данные в микросхемы ПЗУ записываются («прошиваются») на этапе производства и в процессе эксплуатации не могут быть изменены.
2) Системный уровень - переходный. Работающие на этом уровне программы обеспечивают взаимодействие с программами базового уровня прочих программ компьютерной системы и непосредственно с аппаратным обеспечением, то есть выполняют «посреднические» функции.
От программного обеспечения этого уровня зависят во многом эксплуатационные показатели в целом всей вычислительной системы. Так, например, при подключении нового оборудования к вычислительной системе на системном уровне установлена должна быть программа, обеспечивающая взаимосвязь с этим оборудованием для других программ. Отвечающие за взаимодействие с конкретными устройствами конкретные программы называются драйверами устройств — они входят в состав программного обеспечения системного уровня.
Другой класс программ системного уровня отвечает за взаимодействие с пользователем. Благодаря им он получает возможность вводить в вычислительную систему данные, получать результат в удобной для себя форме и управлять ее работой. Эти программные средства называют средствами обеспечения пользовательского интерфейса. Зависит от них напрямую производительность труда на рабочем месте и удобство работы с компьютером [15, с.44].
3) Служебный уровень. Взаимодействует программное обеспечение данного уровня как с программами системного и базового уровня. Основное назначение служебных программ (также их называют утилитами) состоит в автоматизации работ по наладке, проверке и настройке компьютерной системы. Они используются во многих случаях для улучшения или расширения функций системных программ. Некоторые служебные программы (это программы обслуживания, как правило) включают изначально в состав операционной системы, но большинство служебных программ для операционной системы являются внешними и служат для расширения ее функций.
В эксплуатации и разработке служебных программ есть два альтернативных направления: автономное функционирование и интеграция с операционной системой. В первом случае могут изменять служебные программы потребительские свойства системных программ, делая их для практической работы более удобными. Во втором случае с системным программным обеспечением они слабо связаны, но предоставляют больше возможностей пользователю для персональной настройки их взаимодействия с программным и аппаратным обеспечением.