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

Операционная система (ОС) планирует последовательность распределения и использования ресурсов вычислительной системы, обеспечивает их согласованную работу. Под ресурсами обычно понимают средства, которые применяют для вычислений: машинное время отдельных процессоров или компьютеров, входящих в систему; объемы оперативной и внешней памяти; отдельные устройства, информационные массивы; библиотеки программ; отдельные программы как общего, так и специального применения и т.п. Функции ОС по обработке внештатных ситуаций (защита программ от взаимных помех, системы прерываний и приоритетов, служба времени, сопряжение с каналами связи и т.д.) были полностью или частично реализованы аппаратно. Одновременно были реализованы более сложные режимы работы: коллективный доступ к ресурсам, мультипрограммные режимы. Часть этих решений стала своеобразным стандартом и начала использоваться повсеместно в компьютерах различных классов. Это позволило в значительной степени повысить эффективность применения компьютеров и ВС в целом.

В компьютерах 4-гопоколения продолжается усложнение технических и программных структур (иерархия управления средствами, увеличение их количества). Следует отметить заметное повышение «интеллектуальности» машин. Особенно это стало видно при появлении персональных компьютеров, ориентированных на определенные категории пользователей. Программное обеспечение этих машин создает дружественную среду общения человека и компьютера. Оно управляет процессом обработки информации и создает необходимый сервис для работы пользователя.

Подобные тенденции будут сохраняться и в компьютерах последующих поколений. По мнению исследователей, компьютеры нынешнего столетия будут иметь встроенный в них «искусственный интеллект», что позволит пользователям обращаться к компьютерам (системам) на естественном языке, вводить и обрабатывать тексты, документы, иллюстрации, создавать системы обработки знаний и т.д. Все это приводит к необходимости разработки сложного иерархического ПО систем обработки данных.

2.2. Структура программного обеспечения.

Литературные источники по-разному трактуют структуры программного обеспечения (ПО) компьютеров различных классов [6, 7]. В общем случае ПО компьютеров делят на общее (системное) и специальное (прикладное), см. рисунок 2.1.

Общее ПО (ОПО) объединяет программные компоненты, обеспечивающие многоцелевое применение компьютеров. Сюда входят программы, организующие вычислительный процесс в различных режимах работы машин, программы контроля работоспособности компьютеров, диагностики и локализации неисправностей, программы контроля заданий пользователей, их проверки, отладки и т.д.

Общее ПО обычно поставляется потребителям комплектно с компьютером. Часть этого ПО следует рассматривать как неотъемлемую часть этих машин, например, в ПК часть программ ОС и часть контролирующих тестов.

Рисунок 2.1. Структура программного обеспечения

Специальное ПО (СПО) содержит пакеты прикладных программ пользователей (ППП), обеспечивающие специфическое применение компьютеров и ВС.

Прикладной программой называется программный продукт, предназначенный для решения конкретной задачи пользователя. Обычно прикладные программы объединяются в пакеты, что предопределяет многофункциональную обработку данных.

Специализация пакета определяется характером решаемых задач или необходимостью управления специальной техникой. Программы СПО разрабатываются с учетом интересов определенной группы пользователей.

СПО ПК комплектуется в зависимости от места и роли автоматизированного рабочего места (АРМ) пользователя. В ПО ПК обычно включают небольшое число программ (текстовый и табличный процессор, система управления базами данных и др.). Например, пакет MS Office объединяет все перечисленные продукты.

Общее ПО включает в свой состав:

- операционную систему (ОС);

- систему автоматизации программирования (САП);

- пакеты программ, дополняющие возможности ОС (ППОС);

- комплекс программ технического обслуживания (КПТО);

- систему документации (СД).

ОС служит для управления вычислительным процессом путем обеспечения его необходимыми ресурсами.

САП объединяют программные модули, обеспечивающие этапы подготовки задач к решению.

КПТО предназначен для проверки работоспособности вычислительного комплекса.

СД, не являясь программным продуктом, предназначена для изучения программных средств подсистем ПО.

По мере развития компьютеров и ВС программное обеспечение постоянно усложнялось по своей структуре и составу программных модулей.

ПО современных компьютеров и ВС строится по иерархическому модульному принципу, используемому пользователем при решении своих задач (рисунок 2.2). Это дает возможность адаптации компьютеров и ВС к конкретным условиям применения, открытость системы для расширения состава предоставляемых услуг, способность систем к совершенствованию, наращиванию мощности и т.д.

Рисунок 2.2 – Иерархия программных средств компьютеров

Нижний уровень образуют программы ОС, которые играют роль посредника между техническими средствами системы и пользователем.

Однако на практике пользователи работают не напрямую с ОС, а через командные системы – пакеты программ, дополняющие возможности ОС (ППОС). Работа пользователя при этом заключается в выборе определенных рубрик меню. Механизм обращения к модулям ОС упрощается. Развитие и усложнение средств обработки, ОС и командных систем привело к появлению ОС MS Win.95/98/2к/XP/2к3 и др., обеспечивающих графический интерфейс с широчайшим спектром услуг.

С помощью ОС пользователь может активизировать любую нужную ему программу. В настоящее время на любой вид деятельности существуют, разрабатываются и совершенствуются ППП, позволяющие пользователям, не имеющим хорошей компьютерной подготовки, эффективно решать специфические задачи обработки информации. Квалифицированные пользователи, разрабатывающие собственные программные продукты, используют компоненты САП.

В иерархии программных средств отсутствуют программы КПТО. Эти компоненты участия в вычислениях не принимают, они обеспечивают их, проверяя работоспособность аппаратуры и параметров сопряжения перечисленных уровней ПО перед началом вычислений.

2.3. Математическое обеспечение вычислительных систем. Обзор и тенденции развития.

ЭВМ состоит из “жесткого” аппаратного оборудования и “мягкого” оборудования — программного обеспечения, которое в свою очередь принято разделять на системное, прикладное и математическое обеспечение ЭВМ.

Системное программное обеспечение является неотъемлемой частью ЭВМ, без него машина просто не может работать. Прикладное программное обеспечение предоставляет пользователю дружественный интерфейс общения с ЭВМ. Для составления программы ему достаточно знать правила по использованию ЭВМ в терминах своей предметной области — предметно-ориентированную среду программирования. Так, для экономистов предлагается среда программирования Кобол, для инженеров — Фортран, Си, для параллель-

ного программирования разработаны свои среды программирования —

MPI, OpenMP, Оккам, Фортран-GNS, Фортран-DVM, НОРМА и др. Ускорить программирование задач можно средствами математического обеспечения ЭВМ.

Математическое обеспечение ЭВМ.

Математическое обеспечение — МО состоит из фонда программ вычислительных алгоритмов, в частности, фонд содержит решения типовых задач математической физики. Фонд непрерывно пополняется, на рынке программных продуктов идет конкуренция между разработчиками МО. При описании

истории МО использованы некоторые данные из работы [12].

Одна из классификаций математического обеспечения предполагает деление его на следующие разделы: подпрограммы, пакеты программ, библиотеки программ, системы математического обеспечения, подпрограммы. Это наиболее известный и часто используемый раздел математического обеспечения. Он состоит из отдельных подпрограмм или программ, содержащих небольшой набор подпрограмм. Первые численные модели на ЭВМ программировались в двоичных кодах, эти подпрограммы были машинно-ориентированными. Мобильность подпрограмм — возможность их использования на различных ЭВМ появилась с внедрением универсальных языков программирования: Алгола и Фортрана. Другим эффектом внедрения алгоритмических языков высокого уровня было появление новой среды описания вычислительных алгоритмов, программа на таком языке может также служить формальным описанием алгоритма. Особенно ярко эта способность алгоритмического языка служить языком публикаций вычислительных алгоритмов проявилась у языка Алгол-60. В СССР и за рубежом был опубликован обширный спектр вычислительных алго-

ритмов на этом языке. С 70-х годов описания вычислительных алгоритмов публикуются на Фортране из-за широкого распространения этого языка. Набор алгоритмов, опубликованных в журнале “ACM Transactions on Mathematical Soft.”, охватывает почти все сферы численного анализа.

В настоящее время подпрограммы научно-технического характера публикуются в основном на языке Си. Язык Фортран сохраняет позиции как язык публикаций для описания вычислительных алгоритмов. Также известно, что тексты последовательных Фортран-программ удобнее для распараллеливания, чем тексты Си-программ.

Пакеты программ. Пакетом программ называют комплекс программ для решения серийных задач в конкретной области наук и техники. Пакет прикладных программ (ППП), частный случай пакетов, — это система взаимосвязанных программ и средств организации процесса вычислений. При помощи этих средств, в рамках реализованной в пакете стратегии организации вычислений, автоматически генерируется цепочка прикладных вычислительных программ для проведения конкретного вычислительного эксперимента. Примером ППП может служить пакет САФРА (Система Автоматизации Физических Расче-

тов) [13], разработанный в ИПМ им. М.В. Келдыша РАН для решения класса задач математической физики. Программы, создаваемые при помощи пакета САФРА, используют программы из архивного фонда пакета, содержащего свыше тысячи программ. Системная часть пакета обеспечивает подбор оптимальной последовательности программ для решения общей задачи.

Техника ППП широко используются в системах программирования, предназначенных для решения задач линейной алгебры. Базовым уровнем пакетов этого класса служит пакет BLAS (Basic Linear Algebra Subroutine), реализующий основные операции нижнего уровня вычислительной линейной алгебры. Он входит в состав всех пакетов и библиотек линейной алгебры, обеспечивая низкоуровневый интерфейс между программами широкого класса библиотек и ЭВМ различных архитектур. Пакет разделяется на три уровня BLAS: Level 1 BLAS для векторных операций, Level 2 BLAS — для матрично-векторных операций, Level 3 BLAS — для матричных операций. Этот пакет был разработан еще в 70-ые годы, поэтому возникла необходимость раз-работки методологии автоматической генерации высокоэффективных подпрограмм для современных вычислительных машин.

Наиболее простой и широко используемый метод оптимизации программ пакета заключается в параметризации характеристик вычислителей и использовании этих данных на уровне трансляции приложений. Другим способом оптимизации программ пакета является разработка кодового генератора. Основой такой технологии является возможность генерации нескольких вариантов объектного кода, а адаптация пакета заключается в определении его наилучшей версии для конкретной архитектуры ЭВМ и может производиться с учетом времени счета эталонных задач. Эти технологии использовались в рамках проекта ATLAS (Automatically Tuned Linear Algebra Software) [9] — создание инструментальных систем разработки программного обеспечения для адаптации оптимального объектного кода пакета линейной алгебры на различные архитектуры ЭВМ.

Пакет PETS (Portable, Extensible Toolkit for Scientific Computation — 1991 г.) для численного решения дифференциальных уравнений в частных производных (ДУЧП) реализован на широком классе последовательных и параллельных архитектур.

Библиотеки программ. Данный вид математического обеспечения состоят из набора пакетов программ (пакет пакетов), предназначенных для решения широкого круга задач, например задач численного анализа, математической статистики и др. Прототипами библиотек можно считать программы общего назначения, поставляемые производителями ЭВМ для своих машин. В СССР наиболее известна была библиотека такого класса — SSP (Scientific Subroutine Package) фирмы IBM. Она была адаптирована для ЭВМ серии ЕС и БЭСМ-6.