Файл: Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем (Информационные системы и технологии).pdf

Введение

Вычислительные системы, сети и телекоммуникации являются в современном обществе самыми востребованными ресурсами. Войдя в человеческую жизнь, компьютеры стали сейчас неотъемлемой частью нашей жизни и деятельности. И хотя первая ЭВМ с автоматическим программным управлением была создана более полувека назад, к настоящему моменту уже насчитывается пять поколений вычислительных машин. Такого бурного развития не претерпевала ни одна технология.

Действительно, если первая ЭВМ «Эниак» (1946 год) занимала площадь около 150 м2, весила более 30 тонн и содержала около 17 тысяч электронных ламп, то сейчас такое количество электронных компонентов 0,15 мкм технологии позволяют разместить в срезе человеческого волоса.

Уже давно вычислительные системы, сети и телекоммуникации выполняют не столько вычисления, сколько преобразования информации (накопление, хранение, организацию, толкование информации), то есть представляют собой информационные системы.

Тем не менее, еще и сейчас в литературе часто используются традиционные, исторически сложившиеся их названия. Что касается толкования понятия «вычислительная система», то в литературе имеются различные ее определения. В данном пособии будем придерживаться следующего определения.

Вычислительная система – совокупность одного и более компьютеров или процессоров, программного обеспечения и периферийного оборудования, организованная для совместного выполнения информационно-вычислительных процессов.

Для индустриального общества характерными являются такие виды ресурсов, как материальные, природные, трудовые, финансовые и энергетические.

В информационном обществе акцент значимости смещается на информационный ресурс, представляющий собой знания, накопленные людьми для социального использования в обществе. Эти знания зафиксированы и материализованы в виде документов, баз данных, баз знаний, алгоритмов, компьютерных программ, произведений литературы, науки и искусства.

Инфраструктура информатизации включает: вычислительные машины

и сети, системы их коммуникаций и программное обеспечение этих систем; информационные средства; систему подготовки кадров для эксплуатации аппаратного, программного и информационного обеспечения; экономические

и правовые механизмы, обеспечивающие и способствующие эффективному развитию процесса информатизации.

Ключевая роль в современной инфраструктуре информатизации

принадлежит вычислительным системам, сетям и телекоммуникациям, в которых сосредоточены новейшие средства вычислительной техники, информатики, связи, а также самые прогрессивные информационные технологии. Именно они обеспечивают пользователям широкий набор информационно-вычислительных услуг с доступом к локальным и удаленным машинным ресурсам, технологиям, базам данных и знаний.

Возможности улучшения технико-эксплуатационных показателей компьютеров в значительной степени зависят от элементов, используемых для построения их электронных схем. Поэтому при рассмотрении этапов развития ЭВМ каждое поколение обычно в первую очередь характеризуется используемой элементной базой.

За 60 лет развития электронной вычислительной техники можно выделить (как уже было сказано) пять поколений ЭВМ (компьютеров), отличающихся элементной базой, функционально-логической организацией, конструктивно-технологическим исполнением, программным обеспечением, техническими и эксплуатационными характеристиками, степенью доступа к компьютерам со стороны пользователей.

Глава 1. Состав и свойства вычислительных систем.

1.1. Классификация вычислительных систем.

Вычислительная система (ВС) – это совокупность взаимосвязанных процессоров или компьютеров, программного обеспечения и периферийного оборудования, предназначенная для сбора, хранения, обработки, распределения и выдачи информации. Отличительной особенностью ВС по отношению к компьютеру является наличие в ней нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Создание ВС преследует следующие основные цели: повышение производительности системы, повышение надежности и достоверности вычислений, предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.

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

Основные принципы построения ВС:

- возможность работы в разных режимах;

- унификация и стандартизация технических и программных решений;

- модульность структуры технических и программных средств;

- иерархия в организации управления процессами;

- способность систем к адаптации, самонастройке и самоорганизации;

- обеспечение сервисом пользователей при выполнении вычислений. 

Структура ВС – это совокупность элементов ВС и их связей. В качестве элементов ВС выступают отдельные компьютеры и (или) процессоры.

Существует большое количество признаков, по которым классифицируют вычислительные системы: по целевому назначению и выполняемым функциям, по типам и числу компьютеров или процессоров, по архитектуре системы, режимам работы, методам управления элементами системы, степени разобщенности элементов ВС и др. Однако основными из них являются признаки структурной и функциональной организации ВС.

По назначению вычислительные системы делят на универсальные и специализированные. Универсальные ВС предназначаются для решения самых различных задач. Специализированные ВС ориентированы на решение узкого класса задач. Специализация ВС может устанавливаться различными средствами:

- структура ВС ориентирована на определенные виды обработки;

- структура ВС содержит специальное оборудование и пакеты.

По типу вычислительные системы можно разделить на многомашинные и многопроцессорные ВС. Многомашинные вычислительные системы (ММС) появились первыми (рисунок 1.1, а). Положения 1 и 3 электронного ключа (ЭК) обеспечивали режим повышенной надежности, когда одна из ЭВМ выполняла вычисления, а другая находилась в резерве. Положение 2 ЭК обеспечивало параллельный режим вычислений обоих ЭВМ. Здесь возможны две ситуации:

- обе машины решают одну и ту же задачу и периодически сверяют результаты, это повышает достоверность результата;

- обе машины параллельно решают разные задачи, сохраняя возможность обмена информацией, это повышает производительность.

Рисунок 1.1 – Типы ВС: а – многомашинные комплексы; б – многопроцессорные системы

Каждая ЭВМ ММС сохраняет возможность автономной работы и управляется собственной ОС. Любая дополнительно подключаемая ЭВМ рассматривается как периферийное устройство (ПфУ).

Многопроцессорные системы (МПС) состоят из нескольких процессоров (рисунок 1.1,б). В качестве общего ресурса они имеют общую оперативную память (ООП). Параллельная работа процессоров и использование ООП обеспечивается единой ОС. По сравнению с ММС достигается наивысшая оперативность взаимодействия процессоров.

Однако МПС имеет и существенные недостатки:

- возникновение конфликтных ситуаций при обращении нескольких процессоров и УВВ к одним и тем же областям ООП;

- проблема коммутации абонентов и доступа их к ООП, т.к.

- отсутствуют высокоэффективные коммутаторы общей памяти. Процедуры взаимодействия очень сильно усложняют структуру ОС МПС. Эти системы эффективны при 2-10процессорах. В отечественных системах «Эльбрус» обеспечивалась возможность работы до 10 процессоров, до 32 модулей памяти, до 4 процессоров ввода-вывода и до 16 процессоров связи.

По типу ЭВМ или процессоров, используемых для построения ВС, различают однородные и неоднородные системы.

Однородные системы предполагают комплексирование однотипных ЭВМ (процессоров), неоднородные – разнотипных. В однородных системах упрощается разработка и обслуживание технических и программных средств, обеспечивается возможность стандартизации и унификации соединений и процедур взаимодействия элементов системы.

Неоднородные ВС комплексируются из элементов сильно отличаются по своим техническим и функциональным характеристикам. Неоднородные системы находят применение в МПС.

По степени территориальной разобщенности вычислительных модулей ВС делятся на системы совмещенного и распределенного типов. МПС относятся к системам совмещенного типа. Учитывая успехи микроэлектроники (СБИС), появляется возможность иметь в одном кристалле несколько параллельно работающих процессоров.

В совмещенных и распределенных ММС оперативность взаимодействия зависит от удаленности ЭВМ. Все выпускаемые ЭВМ имеют средства прямого взаимодействия и средства подключения к сетям. Для ПК такими средствами являются модемы.

По методам управления элементами ВС различают централизованные, децентрализованные и со смешанным управлением.

В централизованных ВС имеется главная, или диспетчерская, ЭВМ (процессор). Ее задачей является распределение нагрузки между элементами, выделение ресурсов, контроль состояния ресурсов, координация взаимодействия. Функции управления могут быть жестко фиксированы или передаваться другой ЭВМ (процессору), что способствует повышению надежности системы. Централизованные системы имеют более простые ОС.

В децентрализованных системах функции управления распределены между ее элементами. Каждая ЭВМ (процессор) системы сохраняет автономию, а необходимое взаимодействие между элементами устанавливается по специальным наборам сигналов. С развитием ВС и 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.

По режиму работы ВС различают системы, работающие в оперативном и неоперативном временных режимах. Первые используют режим реального времени. Этот режим характеризуется жесткими ограничениями на время решения задач в системе.

Традиционно электронную вычислительную технику (ЭВТ) подразделяют на аналоговую и цифровую.

В аналоговых вычислительных машинах (АВМ) обрабатываемая информация представляется соответствующими значениями аналоговых величин (в основном напряжения). Эти машины обеспечивают высокое быстродействие, но низкую точность вычислений. Поэтому используются сейчас редко, только для решения специализированных задач.

Под словом ЭВМ (постепенно заменѐнным словом компьютер) обычно понимают массовые универсальные цифровые вычислительные машины, в которых информация представляется двоичными кодами.

Существуют три глобальные сферы деятельности человека, которые требуют использования качественно различных типов компьютеров:

- автоматизация вычислений;

- использование в системах управления;

- решение задач искусственного интеллекта.

Даже краткое перечисление областей применения компьютеров показывает, что для решения различных задач нужна соответственно и разная вычислительная техника.

Существует классификация средств ЭВТ, в основу которой положено их разделение по быстродействию:

суперЭВМ для решения крупномасштабных вычислительных задач и обслуживания крупнейших информационных банков данных;

большие ЭВМ для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров;

средние ЭВМ широкого назначения для управления сложными технологическими производственными процессами. Компьютеры этого типа могут использоваться и для управления распределенной обработкой информации в качестве сетевых серверов;

персональные компьютеры, позволяющие удовлетворять индивидуальные потребности пользователей. На базе этого класса компьютеров строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различного уровня;

встраиваемые микропроцессоры, осуществляющие автоматизацию управления отдельными устройствами и механизмами.

С развитием сетевых технологий начал использоваться другой классификационный признак, отражающий место и роль компьютеров в сети:

- мощные машины и вычислительные системы;