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

Введение.

После появления ЭВМ в течении длительного времени велись работы по увеличению скорости работы этого устройства. В результате ЭВМ стали комплектоваться несколькими процессорами или объединяться в системы, которые получили название вычислительных систем.

Вычислительные системы развивались в течении длительного времени и на сегодняшний день широко применяются в различных сферах деятельности человека. Широкие возможности вычислительных систем позволяют одновременно вводить, обрабатывать и получать результат в течении минимального времени. Применение в вычислительных системах специальных программ позволяет формировать результат в нужном формате и форме.

Свойства и структура вычислительной системы закладывают основные функции и возможности этого комплекса, которые базируются на информационном и математическом программном обеспечении. Грамотная подборка оборудования, программного обеспечения и средств коммуникации гарантирует создание высокоэффективных средств обработки данных.

Понятие вычислительной системы и ее виды.

Разработка ЭВМ стала большим прогрессом в становлении и развитии информационных технологий. Однако со временем было установлено, что увеличение скорости выполнения поставленных задач на основе однопроцессоровых ЭВМ невозможно.

Ввиду несоответствия скорости работы внешнего устройства скорости работы процессора он не выполнял работу при введении и выводе операций. Для компенсации потерь и выполнения одновременных вычислений и обмена данными ЭВМ в кон. 1950-х – нач. 1960-х гг. укомплектовывали независимыми процессорами ввода-вывода, которые и заложили основы современных вычислительных систем.^[1]

Совокупность аппаратно-программных средств, которые образуют общую среду, предназначенную для решения задач, связанных с обработкой информации (вычислений) называют вычислительной системой. ^[2]

Вычислительная система обладает несравненным преимуществом перед однопроцессорной ЭВМ, а именно она способна значительно увеличить производительность работы за счет процесса «умного» распараллеливания всех задач. Задачи распределяются не только в зависимости от характеристики данных, требуемого результата, но и имеющихся ресурсов.

---

Основными преимуществами вычислительной системы в сравнии со стандартным компьютером являются:

- значительное увеличение производительности за счёт статического или динамического распараллеливания процесса выполнения поставленной задачи;

- увеличение эффективности за счёт более полной его загрузки использования оборудования;

- повышение надёжности и долговечности системы;

- простота в перестройке вычислительной системы в связи с увеличением объемов поставленных задач.

На сегодняшний день при создании вычислительных систем используют микропроцессоры современного поколения, которые объединяют в нужном количестве для одновременной обработки данных.

Основу вычислительной системы создает операционная система, которая выполняет функции планирования вычислительных процессов и распределения имеющихся ресурсов. Операционная система позволяет оптимизировать компиляторы с языков высокого уровня и использовать индивидуальные возможности микропроцессоров.

Операционная система может иметь различную структуру. Она быть централизованной, т.е. единой для контроля и управления множеством микропроцессоров, или децентрализованной. Последняя предполагает, что операционная система в вычислительной системе представляет собой комплекс самостоятельных операционных систем, каждая из которых будет выполнять поставленный круг заданных задач.

Уже на стадии планирования вычислительной системы определение типа операционной системы будет являться определяющим для дальнейшей работы всего информационного комплекса.

Немаловажную роль в работе вычислительных систем играет система коммуникации, которая объединяет процессоры с модулями оперативной памяти и связывает различные самостоятельные блоки вычислительной системы между собой. Для создания единой системы обмена информацией используют единую шину, которую подключают к процессорам и модулям памяти, матричные коммутаторы и топологию связи – звезда, кольцо и пр.

Любая вычислительная система отличается своими основными характеристиками. В зависимости от отдельных параметров вычислительные системы подразделяются на виды.

По комплектации системы делят на разделимые, которые соединяют несколько самостоятельных компьютеров, и неразделимые (включающие множество процессоров внутри одной системы, которые не работают по отдельности).

По характеру комплектующих вычислительные системы бывают: однородными и неоднородными. Первые строятся на основе однотипных процессоров или компьютеров, в то время как неоднородная система может включать различные типы ее элементов (комбинацию сочетаемых блоков, работа которых отлаживается между собой). В неоднородной системе большую роль играет система коммуникации, которая обеспечивает бесперебойную связь элементов комплекса между собой, и выбранное программное обеспечение.

---

В зависимости от комплектации и количества операционных систем вычислительные системы могут быть многомашинными (с наличием самостоятельных операционных систем на каждом компьютере) или многопроцессорными (с единой операционной системой, которая является единым центром управления).

В зависимости от классов параллельных вычислительных систем различают:

• SMP (симметричная мультипроцессорная обработка данных при работе группы процессоров с единой памятью);
• MPP (с массовым параллелизмом, где каждый процессор работает со своей памятью для отработки поставленных задач);
• NUMA (промежуточная форма, объединяющая свойства обеих предыдущим систем SMP и MPP).

В 1966 году М. Флинн предложил новую классификацию информационных систем, которая используется по настоящее время. Деление вычислительных систем в рамках системы М. Флинна основывается на разделении в зависимости от количества потоков команд и данных на 4 вида:

• ОКОД – при одиночном потоке команд и данных. Такое построение выделяют у самых простых вычислительных систем.
• МКОД – определяется при множественном потоке команд при одиночном потоке данных. В этой системе множество процессоров обрабатывают один поток данных. Например, при получении одного искаженного сигнала каждый процессор обрабатывает поток данных с помощью собственных алгоритмов и системы фильтрации. Общая обработка позволяет получить более развернутую информацию по первоначальным данным.
• ОКМД предполагает один поток команд при множестве потоков данных. Команды выдаются единым управляющим процессором и отрабатываются одновременно всеми процессорами.
• МКМД существует одновременно много потоков команд при множестве потоков данных. Исходные данные передаются напрямую каждому компьютеру для отработки. При этом происходит параллельная отработка различных данных и задач. Такая концепция построения вычислительной системы обладает повышенной производительностью и позволяет обрабатывать объемные данные.
• Схема классификации М. Флинна до сих пор остается самой распространенной при первичной оценке вычислительной системы, поскольку позволяет разграничить разные типы вычислительных систем.^[3]

Вычислительные системы в зависимости от типа управления делятся на:

• централизованные;
• децентрализованные;
• смешанные.

В вычислительных системах с централизованным управлением за организацию работы всей системы отвечает один компьютер или процессор, который имеет одну операционную систему. Он выделяет ресурсы, меняет нагрузку, распределяет задачи и контролирует их выполнение.

---

В децентрализованной системе относительно самостоятельное управление сохраняется в каждом компьютере вычислительной системы. Каждая единица вычислительной системы отрабатывает собственный поток данных и работает с собственной памятью по заданным алгоритмам. Связь между элементами происходит посредством сигналов.^[4]

Смешанные вычислительные системы могут управляться из единого центра или работать с сохранением автономии отдельных блоков в зависимости от ситуации и поставленной задачи. Такие системы считаются универсальными, поскольку они могут отрабатывать любые поставленные задачи.

В зависимости от предназначения вычислительные системы бывают универсальными и узконаправленными. Первые содержат базовое аппаратное и программное обеспечение и способны обрабатывать любую информацию. В то время как узконаправленные вычислительные системы имеют нужный набор оборудования и специальные программы, которые используются только для работы с данными определенного типа.

Все виды вычислительных систем имеют сходный состав и свойства, которые определяют эффективность работы всей системы.

Состав вычислительных систем.

В целом состав любой из вычислительных систем содержит 2 основных схожих части, которые в целом именуют конфигурацией. Вычислительная система включает аппаратную и программную конфигурацию, включающие в той или иной степени систему коммуникации.

Аппаратная архитектура^[5] отвечает за техническое оснащение вычислительной системы. Оборудование каждой вычислительной системы включает различные типы оборудования в зависимости от заданных параметров вычислительной системы. Тщательно продуманная аппаратная конфигурация вычислительной системы обеспечивает производственную эффективность работы комплекса на половину.

А программная архитектура вычислительной системы состоит из комплекса программ различного типа и уровней. Программное обеспечение подбирается в зависимости от установленного оборудования и в зависимости от решения поставленных задач и служат для обеспечения работы всех устройств и связи их между собой.

Программное обеспечение может состоять как из системы стандартных программ, так и включать индивидуальное программное обеспечение, переделанное под требования конкретной индивидуальной системы.

---

Аппаратная и программная конфигурации включают элементы разного уровня и типа, поэтому эти части состава вычислительной системы, всегда рассматриваются отдельно. Каждый из составных элементов вычислительной системы имеет свою общую структуру и деление, которую нужно рассматривать более подробно.

- аппаратная конфигурация;

Аппаратная конфигурация включает все устройства и приборы, которые входят в состав вычислительной системы. Эта составная часть вычислительной системы отвечает за техническое оснащение всего информационного комплекса.

Современные компьютеры и специальные вычислительные комплексы имеют модульную конструкцию, позволяющую переделать оборудование для выполнения конкретных видов работ, в случае необходимости существует возможность подключить дополнительное оборудование через установленные шины.

Конструкцию собирают из готовых блоков и узлов, которые подбираются индивидуально. В целом техническое обеспечение подбирается из монитора, в настоящее время данное устройство чаще всего не участвует в работе серверных платформ, с приходом средств виртуализации, и возможности удаленного администрирования информационных систем, процессора, памяти, готовых компьютеров, дисковых устройств и др. элементов. В зависимости от поставленной задачи вычислительная система заполняется нужным количеством тех или иных элементов, которые могут объединяться в единый компьютер или работать как самостоятельные единицы в рамках единого блока.

Для создания вычислительных систем могут быть использованы внешние (периферийные) и внутренние устройства. Внутри системы устройство комплектуют процессорами и блоками дополнительной памяти. В редких случаях внутрь будущей вычислительной системы может быть помещено дисковое устройство или иное специальное оборудование.

В качестве внешних устройств обеспечения применяются большинство устройств ввода-вывода данных, а также устройства длительного хранения данных. Например, внешние жесткие диски, raid контроллеры, дисководы, флеш-карты, модемы и прочее.

Все блоки будущей вычислительной системы прочно фиксируются между собой. Внутренние части впаиваются или вшиваются в компьютер, а внешние устройства – подключаются через соответствующие разъемы. При этом для бесперебойной работы количество внешнего оборудования должно быть минимальным.

Нужный тип и количество разъемов заранее учитывается для подключения внешнего оборудования.

---