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

ВВЕДЕНИЕ

Влияние современных информационных технологий и новейших технологических инноваций сложно переоценить – простейшие информационные технологии используются даже в самом малом и слаборазвивающемся бизнесе. И чем более активно и успешно используются такие технологии, тем более успешным будет такой бизнес.

К числу современных технологий относятся и так называемые вычислительные системы. Вычислительные системы представляют собой сложные и многогранные собрания информационных объектов. Они применяются сегодня в самых разнообразных сферах человеческой деятельности – от торговли до образования, политики и международных отношений. Разнообразие целей использования вычислительных систем обуславливает и высокий уровень их дифференцированности – по функционалу, стоимости, сложности интерфейса и др. Тем не менее, несмотря на значительные различия, все вычислительные системы объединяет несколько показателей. Для подробного анализа вопроса необходимо выполнить цель работы – проанализировать состав и свойства вычислительных систем; изучить информационное и математическое обеспечение вычислительных систем.

Для достижения данной цели необходимо выполнить следующие задачи:

• проанализировать понятие и состав вычислительных систем;
• охарактеризовать свойства вычислительных систем;
• рассмотреть информационное обеспечение вычислительных систем;
• описать математическое обеспечение вычислительных систем;
• подвести итоги исследования.

Объектом работы выступают вычислительные системы, а предметом – их состав, свойства, а также информационное и математическое обеспечение.

Теоретической базой исследования выступают работы ученых, заслуживших за долгие годы исследовательской деятельности уважение и доверие в научных трудах. В частности, это работы таких авторов, изучавших и изучающих вычислительные системы, как ...

Структура работы включает две главы. И каждая глава содержит два параграфа. Кроме того, в работе есть такие структурные элементы, как введение, содержание, заключение и список используемой литературы.

Глава 1. Вычислительные системы

1.1 Понятие и состав вычислительных систем

---

В связи с кризисом классической структуры ЭВМ дальнейшее поступательное развитие вычислительной техники напрямую связано с переходом к параллельным вычислениям, с идеями построения многопроцессорных систем и сетей, объединяющих большое количество отдельных процессоров и (или) ЭВМ. Здесь появляются огромные возможности совершенствования средств вычислительной техники. Но следует отметить, что при несомненных практических достижениях в области параллельных вычислений, до настоящего времени отсутствует их единая теоретическая база.

Термин вычислительная система появился в начале – середине 60–х гг. при появлении ЭВМ III поколения. Это время знаменовалось переходом на новую элементную базу – интегральные схемы. Следствием этого явилось появление новых технических решений: разделение процессов обработки информации и ее ввода–вывода, множественный доступ и коллективное использование вычислительных ресурсов в пространстве и во времени. Появились сложные режимы работы ЭВМ – многопользовательская и многопрограммная обработка [12].

Под вычислительной системой (ВС) понимают совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для сбора, хранения, обработки и распределения информации.

Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Создание ВС преследует следующие основные цели: повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных, повышение надежности и достоверности вычислений, предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д. [7]

Параллелизм в вычислениях в значительной степени усложняет управление вычислительным процессом, использование технических и программных ресурсов. Эти функции выполняет операционная система ВС.

Состав вычислительной системы называется конфигурацией. Аппаратные и программные средства вычислительной техники принято рассматривать отдельно. Соответственно, отдельно рассматривают аппаратную конфигурацию вычислительных систем и их программную конфигурацию [16].

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.

---

По способу расположения устройств относительно центрального процессорного устройства (ЦПУ – Central Processing Unit, CPU) различают внутренние и внешние устройства. Внешними, как правило, являются большинство устройств ввода–вывода данных (их также называют периферийными устройствами) и некоторые устройства, предназначенные для длительного хранения данных.

Согласование между отдельными узлами и блоками выполняют с помощью аппаратных интерфейсов. Стандарты на аппаратные интерфейсы в вычислительной технике называют протоколами. Таким образом, протокол – это совокупность технических условий, которые должны быть обеспечены разработчиками устройств для успешного согласования их работы с другими устройствами.

Многочисленные интерфейсы, присутствующие в архитектуре любой вычислительной системы, можно условно разделить на две большие группы: последовательные и параллельные. Через последовательный интерфейс данные передаются последовательно, бит за битом, а через параллельный – одновременно группами битов [20].

.

1.2 Классификация и свойства вычислительных систем

В рамках данного исследования целесообразно кратко рассмотреть классификацию вычислительных систем, так как их состав и свойства могут меняться в зависимости от классификационных признаков. Рассмотрим наиболее распространенную классификацию вычислительных систем – по различным группам признаков.

По назначению вычислительные системы делят на:

• универсальные;
• специализированные.

Специализированные системы ориентированы на решение узкого класса задач, в отличие от универсальных, предназначенных для широкого спектра задач [9].

По типу построения вычислительные системы разделяются на:

• многомашинные;
• многопроцессорные.

Это значит, что вычислительные системы могут строиться на базе нескольких компьютеров или на базе нескольких процессоров. В первом случая ВС будет многомашинной, во втором – многопроцессорной.

Многомашинные вычислительные системы (ММС) появились раньше, чем многопроцессорные. Основные отличия ММС заключаются в организации связей и обмена информацией между ЭВМ комплекса. Многомашинная ВС содержит некоторое число компьютеров, информационно взаимодействующих между собой. Машины могут находиться рядом друг с другом, а могут быть удалены друг от друга на некоторое, иногда значительное расстояние (вычислительные сети). В многомашинных ВС каждый компьютер работает под управлением своей операционной системы. А поскольку обмен информацией между машинами выполняется под управлением операционной системы, взаимодействующих друг с другом, динамические характеристики процедур обмена несколько ухудшаются (требуется время на согласование работы самих операционных систем). Информационное взаимодействие компьютеров в многомашинной ВС может быть организовано на уровне:

---

• процессоров;
• оперативной памяти;
• каналов связи [18].

При непосредственном взаимодействии процессоров друг с другом информационная связь реализуется через регистры процессорной памяти и требует наличия в операционных системах достаточно сложных специальных программ.

Взаимодействие на уровне оперативной памяти сводится к программной реализации общего поля оперативной памяти, что несколько проще, но также требует существенной модификации операционных систем. Под общим полем имеется в виду равнодоступность модулей памяти: все модули памяти доступны всем процессорам и каналам связи.

На уровне каналов связи взаимодействие организуется наиболее просто и может быть достигнуто внешними по отношению к операционной системе программами–драйверами, обеспечивающими доступ от каналов связи одной машины к внешним устройствам других (формируется общее поле внешней памяти и общий доступ к устройствам ввода–вывода) [4].

Ввиду сложности организации информационного взаимодействия на 1–м и 2–м уровнях в большинстве многомашинных ВС используется 3–й уровень, хотя и динамические характеристики (в первую очередь быстродействие), и показатели надежности таких систем существенно ниже.

Многопроцессорные системы (МПС) содержат несколько процессоров, информационно взаимодействующих между собой либо на уровне регистров процессорной памяти, либо на уровне оперативной памяти. Этот тип взаимодействия используется в большинстве случаев, ибо организуется значительно проще и сводится к созданию общего поля оперативной памяти для всех процессоров. Общий доступ к внешней памяти и устройствам ввода–вывода обеспечивается обычно через каналы оперативной памяти. Важным является и то, что многопроцессорная вычислительная система работает под управлением единой операционной системы, общей для всех процессоров. Это существенно улучшает динамические характеристики ВС, но требует наличия специальной, весьма сложной операционной системы [5].

Однако МПС имеют и существенные недостатки. Они, в первую очередь, связаны с использованием ресурсов общей оперативной памяти. 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. Помимо процессоров к ОП подключаются все процессоры ввода–вывода, средства измерения времени и т.д. Поэтому вторым серьезным недостатком МПС является проблема коммутации и доступа абонентов к ОП. Процедуры взаимодействия очень сильно усложняют структуру ОС МПС. Опыт построения подобных систем показал, что они эффективны при небольшом числе объединяемых процессоров (от 2 до 10).

---

По типу ЭВМ или процессоров, используемых для построения ВС, различают:

• однородные системы;
• неоднородные системы [5].

Однородная ВС строится на базе однотипных компьютеров или процессоров. Однородные системы позволяют использовать стандартные наборы технических, программных средств, стандартные протоколы (процедуры) сопряжения устройств. Поэтому их организация значительно проще, облегчается обслуживание систем и их модернизация.

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 неоднородных систем.

По методам управления элементами ВС различают:

• централизованные;
• децентрализованные;
• со смешанным управлением [2].

В централизованных ВС за управление отвечает главная или диспетчерская ЭВМ (процессор). Ее задачей является распределение нагрузки между элементами, выделение ресурсов, контроль состояния ресурсов, координация взаимодействия. Централизованный орган управления в системе может быть жестко фиксирован или эти функции могут передаваться другой ЭВМ (процессору), что способствует повышению надежности системы. Централизованные системы имеют более простые операционные системы.

В децентрализованных системах функции управления распределены между ее элементами. Каждая ЭВМ (процессор) системы сохраняет известную автономию, а необходимое взаимодействие между элементами устанавливается по специальным наборам сигналов. С развитием ВС и, в частности, сетей ЭВМ, интерес к децентрализованным системам постоянно растет.

В системах со смешанным управлением совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управления. Перераспределение функций осуществляется в ходе вычислительного процесса, исходя из сложившейся ситуации.

По принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ (процессорами) различают системы с жестким и плавающим закреплением функций. В зависимости от типа ВС следует решать задачи статического или динамического размещения программных модулей и массивов данных, обеспечивая необходимую гибкость системы и надежность ее функционирования [8].

По степени территориальной разобщенности вычислительных модулей ВС делятся на системы:

• территориально–сосредоточенные – это когда все компоненты располагаются в непосредственной близости друг от друга;
• распределенные – это когда компоненты могут располагаться на значительном расстоянии, например, вычислительные сети;
• структурно–одноуровневые – это когда имеется лишь один общий уровень обработки данных;
• многоуровневые (иерархические) структуры – это когда в иерархических ВС машины или процессоры распределены по разным уровням обработки информации, некоторые машины (процессоры) могут специализироваться на выполнении определенных функций [6].

---