Файл: Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем (Состав и свойства вычислительных систем).pdf
Добавлен: 31.03.2023
Просмотров: 94
Скачиваний: 2
Вся информация, поступающая в компьютер (например, звуки, изображения, показания приборов и т.д.), должна быть преобразована в цифровую форму для обработки - в противном случае ПК просто не будет ее обрабатывать.
Например, при обработке текстовой информации при вводе в компьютер каждая буква кодируется определенным числом, а при выводе на внешнее устройство (экран или печать) для человеческого восприятия из этих чисел создаются соответствующие изображения букв.
Соответствие между набором букв и цифр называется кодировкой символов.
Как правило, все числа в компьютере представлены с помощью нулей и единиц, то есть в двоичной системе счисления, что значительно упрощает их конструкцию.
Единицей информации в компьютере является один бит, то есть двоичный бит, который может принимать значение 0 или 1. Как правило, компьютерные команды работают не с отдельными битами, а с восемью битами одновременно. Восемь последовательных битов составляют байт. В один байт вы можете закодировать значение одного символа из 256 возможных (256 = 28). Более крупными единицами информации являются килобайты, равные 1024 байта (1024 = 21 °), и мегабайты, равные 1024 Кбайт [14, с.52].
Программы для компьютеров.
Программы для первых компьютеров должны были быть написаны на машинном языке, то есть в кодах, непосредственно воспринимаемых компьютером. В начале 1950-х годов были разработаны системы, позволяющие писать программы не на машинном языке, а с использованием мнемонических обозначений машинных инструкций. Такой язык для написания программ называется автокодом или ассемблером. Программы на ассемблере очень легко конвертируются в машинные инструкции с помощью специальной программы, также называемой ассемблером. Ассемблер теперь часто используется в программировании в тех случаях, когда это необходимо для достижения максимальной производительности и минимального размера программ или для наиболее полного учета возможностей компьютера в программе.
Тем не менее, программирование на ассемблере все еще занимает много времени. Поэтому даже после появления ассемблеров многие исследователи продолжали свои попытки облегчить процесс программирования. Такие языки стали называть языками программирования высокого уровня, а языки ассемблера и другие машинно-ориентированные языки называли языками низкого уровня. Программы на языках высокого уровня либо преобразуются в программы, состоящие из машинных инструкций (это делается с помощью специальных программ, называемых переводчиками или компиляторами), либо интерпретируются с использованием программ-переводчиков.
Языки высокого уровня значительно упростили процесс написания программ, поскольку они ориентированы на удобство описания команд [2, с.39].
2.2. Математическое обеспечение вычислительных систем
Математическое обеспечение состоит из фонда программ вычислительных алгоритмов, в частности, фонд содержит решения типовых задач математической физики. Фонд постоянно пополняется, на рынке программных продуктов существует конкуренция между разработчиками математического программного обеспечения [16, с.166].
Одна из классификаций математического обеспечения предусматривает ее разделение на следующие разделы: подпрограммы, пакеты программ, библиотеки программного обеспечения, системы программного обеспечения.
1) Подпрограммы.
Это самый известный и часто используемый раздел программного обеспечения. Он состоит из отдельных подпрограмм или программ, содержащих небольшой набор подпрограмм. Первые численные компьютерные модели были запрограммированы в двоичных кодах; Эти подпрограммы были ориентированы на машины. Мобильность подпрограмм - возможность их использования на различных компьютерах появилась с введением универсальных языков программирования: Algola и Fortran. Другим результатом внедрения алгоритмических языков высокого уровня стало появление новой среды для описания вычислительных алгоритмов; Программа на таком языке также может служить формальным описанием алгоритма.
В настоящее время научно-технические подпрограммы публикуются в основном на языке Си. Язык Фортран сохраняет свою позицию в качестве языка публикации для описания вычислительных алгоритмов. Также известно, что тексты последовательных программ на Фортране более удобны для распараллеливания, чем тексты на Си-программах.
2) Пакеты программ.
Программный пакет - это набор программ для решения серийных задач в конкретной области науки и техники. Пакет прикладных программ, особый случай пакетов, представляет собой систему взаимосвязанных программ и средств организации процесса расчета. Используя эти инструменты, в рамках стратегии организации вычислений, реализованной в пакете, автоматически создается цепочка прикладных вычислительных программ для конкретного вычислительного эксперимента. Примером пакета прикладных программ является пакет САФРА (Система Автоматизации Физических Расчетов), предназначенный для решения класса задач математической физики. Программы, созданные с использованием пакета САФРА, используют программы из архивного фонда пакета, содержащего более тысячи программ. Системная часть пакета обеспечивает подбор оптимальной последовательности программ для решения общей задачи.
3) Программные библиотеки.
Этот тип программного обеспечения состоит из набора программных пакетов (пакетов пакетов), предназначенных для решения широкого круга задач, например, задач численного анализа, математической статистики и других. Прототипами библиотек можно считать программы общего назначения, поставляемые производителями компьютеров для своих машин. В СССР самой известной была библиотека этого класса - SSP (Scientific Subroutine Package) от IBM. Он был адаптирован для компьютеров серии EC и БЭСМ-6.
Библиотека программ ANSYS объявлена как многоцелевая библиотека конечных элементов для анализа в широкой области инженерных дисциплин (прочность, теплофизика, динамика жидкостей и газов и электромагнетизм). Это коллекция из более чем десяти специализированных пакетов, включая обучение. Упаковки сертифицированы по ряду международных стандартов, в том числе по стандартам американской атомной промышленности и Госатомнадзора России. Разработчики ANSYS также используют лицензионные программы для обеспечения интеграции с другими пакетами. Распределенные вычисления в вычислительных кластерах поддерживаются не во всех пакетах библиотек [12, с.20].
4) Системы математического обеспечения.
Система программного обеспечения - это библиотека программ общего назначения с проблемно-ориентированным языком, которая обеспечивает удобный интерфейс.
Одна из старейших компьютерных программных систем - МЛТЬЛБ. В расчетах допускается использование таких мощных типов данных, как многомерные массивы чисел, символов, структур, указанных пользователями. Область применения МЛТЬЛБа - построение математических моделей и разработка алгоритмов программирования и расчетов, использование научно-технической графики для визуализации и анализа данных.
5) Математические библиотеки в прикладном программировании.
Прогресс в технологии производства компьютерного оборудования значительно опережает темпы роста производства программного обеспечения. В программировании аналог закона Мура неизвестен - производительность компьютеров удваивается каждые полтора года. Поэтому значение систем математической поддержки как элемента промышленной технологии для производства прикладных программ очень велико.
Современное математическое программное обеспечение, в дополнение к программам элементарных математических функций для вычисления синусов и логарифмов и т.д., содержит обширный набор стандартных программ для реализации алгоритмов массовых вычислений. Техника сборки программы из готовых вычислительных компонентов снижает сложность программных приложений.
Значительное усложнение программирования из-за появления многопроцессорных кластеров и графических процессоров повышает роль такого метода. Для программирования библиотечных программ вы можете привлекать специализированных специалистов в прикладных областях и обеспечивать очень высокую эффективность реализации.
Библиотеки создаются как коммерческий продукт; Более того, чем шире круг пользователей и, соответственно, чем разнообразнее спектр удовлетворенных запросов, тем выше цена продукта. Библиотечная программа для расширения области действия должна предусматривать широкий диапазон входных параметров, обеспечивать настройку функций исходных данных и аппаратной среды.
Библиотеки, классифицируемые как математические системы поддержки, такие как MATLAB, снабжены интерфейсом с языками Фортран и Си. Но системы программирования для этих языков, встроенные в библиотеку, не могут конкурировать по качеству объектного кода с кодом, созданным отдельными независимыми компиляторами из этих универсальных языков. Наконец, приложения, полученные с использованием этой среды программирования, не являются чуждыми среде и, следовательно, также не являются мобильными [3, с.51].
Конечно, библиотеки позволяют использовать свои математические процедуры и пакеты из независимых систем программирования на Фортране и Си, но наибольший эффект от использования библиотеки достигается, когда все приложение погружено в свою среду. Коммерческие мотивы в проблеме мобильности приложений неоспоримы.
Одним из основных критериев качества программного обеспечения является достоверность расчетов, что обеспечивается, в частности, сертификацией библиотечных программ. Поскольку лицензия одной программы дешевле, чем лицензия всей библиотеки, пакеты программного обеспечения, ориентированные на конкретные запросы пользователей, всегда будут востребованы на рынке программного обеспечения [6, с.153].
Можно предположить, что будущее этого направления - ускоренное развитие технологии «облачных пакетов» - создание сертифицированных пакетов программного обеспечения с открытым исходным кодом, которые настроены для данной предметной области и конкретной вычислительной среды.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
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.
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.
Программное и аппаратное обеспечение работают в компьютере в непрерывном взаимодействии и в неразрывной связи. 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.
Вычислительные системы обладают следующими наиболее важными свойствами (стоит отметить, что в той или иной реализации вычислительной системы все ее свойства могут не проявляться полностью): масштабируемость, универсальность, производительность, реконфигурируемость, надежность и живучесть, самоконтроль и самодиагностика, технико-экономическая эффективность.
Наряду с аппаратным и программным обеспечением компьютерных технологий в некоторых случаях целесообразно рассмотреть информационное программное обеспечение, что означает комбинацию программ и предварительно подготовленных данных, необходимых для работы этих программ.
Математическое обеспечение состоит из фонда программ вычислительных алгоритмов, в частности, фонд содержит решения типовых задач математической физики. Фонд постоянно пополняется, на рынке программных продуктов существует конкуренция между разработчиками математического программного обеспечения.