Файл: Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем (Классификация).pdf
Добавлен: 01.04.2023
Просмотров: 71
Скачиваний: 2
Введение
Вычислительные машины за свою долгую историю прошли интенсивный и масштабный путь, отмеченный нередкими сменами поколений ЭВМ. Активный прогресс науки и интеграция человеческой мысли во все новые сферы вкупе с решением разнообразных проблем все время порождает поток вопросов и ставит новые, чаще всего усложненные, задачи. Во времена первых компьютеров казалось, что рост их быстродействия даст возможность устранить немало проблем, но гигафлопная производительность современных суперЭВМ в настоящее время является явно недостаточной для многих ученых. Электро- и гидродинамика, сейсморазведка и прогноз погоды, моделирование химических соединений, анализ виртуальной реальности - это не полный список сфер науки, исследователи которых применяют любую возможность для повышения скорости реализации собственных программ.
Ключевым направлением развития ЭВМ является непрерывный рост производительности (быстродействия) и интеллектуальности вычислительных средств. Самым перспективным и динамичным направлением ускорения выполнения прикладных задач является повсеместная интеграция идей параллелизма в функционирование вычислительных систем (ВС).
Последующая эволюция вычислительной техники непосредственно касается перехода к параллельным вычислениям, с идеями разработки многопроцессорных систем и сетей, аккумулирующих немало отдельных процессоров и ЭВМ.
Термин вычислительная система возник в начале 60-х гг. при образовании ЭВМ III поколения. Данный период времени повлек за собой переход на новую элементную базу - интегральные схемы. Итогом этого стало возникновение новых технических решений: разделение процессов обработки данных и их ввода-вывода, множественный доступ и коллективное применение вычислительных ресурсов в пространстве и во времени. Возникли сложные режимы работы ЭВМ - многопользовательская и многопрограммная обработка. Отражая эти новшества, и возник термин “вычислительная система”, т.е. возможность создания параллельных ветвей в вычислениях, что не предполагалось классической структурой ЭВМ.
Разработка ВС преследует определенные цели: рост производительности системы ввиду повышения скорости процессов обработки данных, рост надежности и достоверности расчетов, оказание пользователям дополнительных сервисных услуг и пр.
Присутствие нескольких вычислителей в системе дает возможность совершенно по-новому решать проблемы надежности, достоверности результатов обработки, резервирования, централизации хранения и обработки данных, децентрализации управления и пр.
Сейчас спроектированы и протестированы немало разнообразных компьютеров, применяющих в собственной архитектуре какой-либо вид параллельной обработки данных. В научной литературе и технической документации можно найти более десятка разных наименований, определяющих только общие принципы работы параллельных машин: векторно-конвейерные, массивно-параллельные, компьютеры с широким командным словом, систолические массивы, гиперкубы, спецпроцессоры и мультипроцессоры, иерархические и кластерные компьютеры, dataflow, матричные ЭВМ и пр. Если к таким названиям для полноты описания добавить еще и сведения о таких ключевых характеристиках, как, например, организация памяти, топология связи между процессорами, синхронность работы отдельных устройств или способ реализации арифметических операций, то количество разных архитектур будет и вовсе необозримым.
Ключевые принципы построения, закладываемые при разработке ВС:
- возможность функционирования в различных режимах;
- модульность структуры технических и программных средств, что дает возможность модернизировать вычислительные системы без коренных их переделок;
- унификация и стандартизация технических и программных решений;
- иерархия в организации управления процессами;
- способность систем к адаптации, самонастройке и самоорганизации;
- снабжение соответствующим сервисом пользователей при осуществлении расчетов.
Цель курсовой работы – рассмотреть состав и свойства вычислительных систем.
Для реализации цели необходимо выполнить ряд задач, а именно:
- исследовать теоретические аспекты изучения вычислительных систем;
- проанализировать структуру вычислительных систем;
- рассмотреть информационное и математическое обеспечение вычислительных систем.
Предметом исследования данной курсовой работы являются технологии программирования.
Объектом исследования данной курсовой работы является вычислительная система.
Структура курсовой работы состоит из введения, двух глав, заключения и списка использованных источников.
1.1 Основные понятия, используемые при изучении вычислительных систем
Вычислительная система - это комплекс взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и ПО, необходимая для подготовки и выполнения задач пользователей. Спецификой ВС по отношению к ЭВМ является присутствие в них нескольких вычислителей, осуществляющих параллельную обработку [1, c.15]. потоковый
Структура ВС - это сочетание комплексируемых компонентов и их связей. В роли компонентов ВС выступают отдельные ЭВМ и процессоры. В ВС, принадлежащих к категории больших систем, целесообразно рассматривать структуры технических, программных средств, структуры управления и т.д.
Ключевые понятия, применяемые в ВС, - это ЭВМ, центральный процессор (ЦП), программное обеспечение (ПО), канал ввода-вывода, устройство управления внешними устройствами (УУВУ) и периферийные устройства [3, c.14].
Сейчас под словом ЭВМ чаще всего понимают цифровые электронные машины, необходимые для автоматизации процесса обработки информации. ЭВМ нередко именуют компьютером. Термин компьютер означает вычислитель, т.е. устройство для вычислений. Это связано с тем, что первые ЭВМ разрабатывались исключительно для вычислений, т.е. должны были заменить механические вычислительные устройства (арифмометры). В настоящее время ЭВМ разделяются на суперЭВМ, миниЭВМ, микроЭВМ [5, c.24].
ЦП реализует непосредственное преобразование информации по определенной программе и управление взаимодействием компонентов ЭВМ. В состав ЦП включены центральное устройство управления, арифметико-логическое (операционное) устройство (АЛУ), внутренняя память процессора (регистровая, сверхоперативная, кэш-память).
ПО – комплекс программ, процедур и правил вкупе со связанной с этими компонентами документацией, дающей возможность применять ЭВМ для выполнения разнообразных задач. ПО дает возможность модернизировать организацию функционирования ВС для наилучшего использования ее возможностей; увеличить производительность и качество труда пользователя; адаптировать программы пользователя к ресурсам определенной ВС; расширить ПО ВС [7, c.132].
Каналы ввода-вывода необходимы для реализации операций ввода-вывода и осуществляют все двусторонние связи между оперативной памятью и процессором, с одной стороны, и многообразием периферийных устройств, с другой.
УУВУ реализует управление периферийными устройствами через селекторные (быстрые) и мультиплексные (медленные) каналы ввода-вывода. УУВУ бывают одиночные (управляющие функционированием одного внешнего устройства) и групповые (обсуживающие несколько однотипных внешних устройств, причем в каждый момент времени они обслуживают только одно внешнее устройство) [9, c.54].
Периферийные устройства, такие, как внешние запоминающие устройства (ВЗУ), реализуют хранение существенных массивов данных. Самое активное распространение получили ВЗУ на магнитных носителях (лентах и дисках).
1.2 Классификация вычислительных систем
Сейчас собран существенный практический опыт в создании и эксплуатации ВС самого различного пользования. Данные системы значительным образом отличаются между собой собственными возможностями и характеристиками. Есть немало признаков, по которым разделяют ВС: по целевому назначению и реализуемым функциям, по типам и количеству ЭВМ или процессоров, по архитектуре системы, режимам функционирования, методам управления элементами системы, степени разобщенности элементов ВС и т.д. Но ключевыми из них являются признаки структурной и функциональной организации ВС.
По назначению ВС разделяют на универсальные, проблемно-ориентированные и специализированные. Универсальные необходимы для выполнения широкого класса задач [11, c.45]. Проблемно-ориентированные применяются для выполнения установленного круга задач в достаточно узкой сфере. Специализированные направлены на выполнение узкого класса задач. Специализация ВС способна устанавливаться разнообразными средствами:
- во-первых, сама структура системы (число параллельно функционирующих компонентов, связи между ними и пр.) может быть направлена на некоторые виды обработки данных: матричные вычисления, решение алгебраических, дифференциальных и интегральных уравнений и пр. Практика создания ВС типа суперЭВМ дала понять, что чем выше их производительность, тем уже класс эффективно выполняемых ими задач;
- во-вторых, специализация ВС способна закладываться интеграцией в их состав специального оборудования и специальных пакетов обслуживания техники [13, c.76].
По типу ВС разделяются на многомашинные и многопроцессорные. Многомашинные (ММС) возникли исторически первыми. Уже при применении ЭВМ первых поколений появились задачи роста производительности, надежности и достоверности расчетов. Для данных целей применяли определенный комплекс машин. Положения электронного ключа (ЭК) осуществляли режим повышенной надежности. В данном случае одна из машин осуществляла вычисления, а другая состояла в “горячем” или “холодном” резерве, т.е. в готовности заменить основную ЭВМ. Положение 2 ЭК соответствовало случаю, когда обе машины реализовывали параллельный режим вычислений. Здесь вероятны два случая:
а) обе машины выполняют одинаковую задачу и время от времени проверяют результаты решения. Этим реализуется режим повышенной достоверности, а также снижается вероятность возникновения ошибок в результатах вычислений;
б) обе машины функционируют параллельно, но обрабатывают собственные потоки заданий. Возможность обмена данными между машинами сохраняется. Данная форма функционирования принадлежит к режиму повышенной производительности. Она интенсивно применяется в практике организации деятельности на крупных вычислительных центрах, снабженных несколькими ЭВМ хорошей производительности. Ключевые различия ММС состоят, прежде всего, в организации связи и обмена данными между ЭВМ комплекса. Каждая из них сохраняет возможность автономного функционирования и управляется своей ОС [15, c.80].
Любая другая аккумулируемая ЭВМ комплекса определяется как специальное периферийное оборудование. Исходя из территориальной разобщенности ЭВМ и применяемых средств сопряжения, реализуется разнообразная оперативность их информационного взаимодействия.
Многопроцессорные (МПС) строятся при комплексировании нескольких процессоров (рис. 1). В качестве общего ресурса они имеют общую оперативную память (ООП). Параллельная работа процессоров и применение ООП реализуются под управлением единой общей ОС.
По сравнению с ММС здесь реализуется максимальная оперативность взаимодейственных комплексов. Немало ученых полагают, что применение МПС является ключевым магистральным способом развития вычислительной техники новых поколений [17, c.82].
Но МПС обладают и значительными недостатками. Прежде всего, они связаны с применением ресурсов общей оперативной памяти. При существенном числе комплексируемых процессоров вероятно появление конфликтных ситуаций, когда несколько процессоров обращаются с операциями типа “чтение” и “запись” к одинаковым областям памяти. Кроме процессоров к ООП аккумулируются все каналы (процессоры ввода-вывода), средства измерения времени и т.д. Ввиду этого вторым серьезным недостатком МПС является проблема коммутации абонентов и доступа их к ООП. От того, как эффективно устраняются данные проблемы, и находится в зависимости качество использования МПС [19, c.56]. Данное решение реализуется аппаратурно-программными средствами. Процедуры взаимодействия существенно осложняют структуру ОС МПС. Накопленный опыт разработки данных систем позволяет сделать вывод о том, что они эффективны при малом количестве комплексируемых процессоров (2, 4 до 10).