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

ВВЕДЕНИЕ

Электронные вычислительные машины, или компьютеры, - одно из самых значимых творений человека. Сейчас влияние на человеческое общество и масштабы применения компьютеров достигло высокой точки. Достижение высоких экономических и социальных результатов в любой стране зависит от и темпов масштабов информатизации общества, использования информационных технологий во всех сферах человеческой деятельности: в том числе информационное и математическое обеспечение вычислительных систем. Этим объясняется актуальность выбранной темы.

Цель курсовой работы – определить состав и свойства вычислительных систем, определить принципы работы информационного и математического обеспечения вычислительных систем.

Задачи для решения поставленной цели:

1. определить состав и свойства вычислительных систем: аппаратное и программное обеспечение;
2. определить принципы работы информационного обеспечения вычислительных систем;
3. определить принципы работы математического обеспечения вычислительных систем.

Предмет курсовой работы – электронные вычислительные системы.

Большая часть источников – учебные пособия, одобренные министерством образования и науки, для студентов высших учебных заведений последних пяти лет, а также научные статьи государственных университетов за последние семь лет, толковые словари информационных терминов за последние двадцать лет. Данные источники использовались в связи с тем, что они являются одобренными, а также достаточно свежими.

1. Состав и свойства вычислительной системы

Композиция вычислительной системы называется конфигурацией [5], а конфигурация вычислительной системы представляет собой комбинацию функциональных частей вычислительной системы и взаимосвязей между долями, что обусловлено основными характеристиками этих функциональных частей, а также свойства задач обработки данных.

Программные и аппаратные средства компьютерной техники рассматриваются отдельно [35]. Это очень важно, часто решение тех же проблем может быть обеспечено как аппаратным, так и программным обеспечением. Основными критериями выбора аппаратного или программного решения являются производительность, эффективность и стоимость. Зачастую аппаратные решения стоят дороже, а для реализации программных решений требуется более высококвалифицированный персонал.

---

Наиболее важные свойства архитектуры вычислительной системы. Не все свойства могут быть полностью проявлены в той или иной реализации вычислительной системы.

Основные свойства архитектуры вычислительной системы:

Масштабируемость электронных вычислительных систем - метод вычислительной системы, который может эффективно справляется с увеличением производительности или количества пользователей без потери производительности и без увеличения нагрузки на его административный контроль [48]. Эта система может быть увеличена, если она сможет увеличить свою производительность, добавив новое оборудование в информационную среду. Таким образом, в условиях масштабируемости и снижения нагрузки на систему. Масштабируемость является одним из важных свойств вычислительных систем, если они должны работать при большой нагрузке, поскольку это означает, что не нужно начинать с нуля и разрабатывать совершенно новую информационную систему. Если информационная система имеет масштабируемую систему, это означает, что можно будет сохранить то же программное обеспечение, увеличив аппаратное обеспечение.

Для распределенных информационных систем указываются только значения, характеризующие их масштаб [22]: количество пользователей и количество компонентов, составляющих информационную систему, степень удаленности компьютеров территориально друг от друга и количество административных организации, обслуживающие распределенную систему. Поэтому масштабируемость распределенных систем также определяется в соответствующих областях:

1. Масштабируемость нагрузки. Возможность повышения производительности при одновременном увеличении нагрузки на замену существующих компонентов оборудования на более мощные или добавление нового оборудования. Система для повышения производительности каждого компонента системы вертикальное масштабирование, второе, выражается в увеличении количества сетевых компьютеров (серверов) распределенная система - горизонтальное масштабирование.
2. Административная масштабируемость [3]. Она характеризует простую систему управления с увеличением числа административно независимых организаций, обслуживающих части одной распределенной системы.
3. Сложность масштабирования. Создание масштабируемых систем подразумевает решение широкого круга задач и часто сталкивается с ограничениями компьютерных систем [29].

Свойство наращиваемости производительности дает потенциальную вероятность решения проблемы любой априори заданной сложности [2]. Почти все эти проблемы могут быть решены, и проблемы удовлетворяются состоянием локальных данных, а также межмодульной передачей данных. Этого можно добиться за счет масштабного распределения трудовых задач и (или) аппаратного обеспечения, позволяющего объединить все возможности обмена данными.

---

Универсальность - вычислительные системы являются алгоритмически и структурно универсальными [8]. Общепринято, что компьютеры (на основе моделей вычисления) являются алгоритмически универсальными, если у них есть возможность (без изменения их структурного) алгоритма для решения любых проблем. С другой стороны, все вычислительные системы представляют собой набор вычисляемых элементов, каждый из которых обладает алгоритмической универсальностью и, следовательно, системой универсальности (в общепринятом смысле).

В вычислительных системах могут быть реализованы не только любые алгоритмы, доступные ЭВМ, но и параллельные алгоритмы решения сложных задач. Последнее следует из определений модели коллектива вычислителей и, в частности, алгоритма функционирования вычислительной системы.

Структурная универсальность вычислительной системы – следствие воплощения архитектурных принципов коллектива вычислителей, в частности, принципа программируемости структуры [8]. Суть этого принципа – возможность автоматически порождать специализированные (проблемно-ориентированные) виртуальные конфигурации, которые адекватны структурам и параметрам решаемых задач.

Таким образом, вычислительные системы сочетают в себе достоинства цифровой техники, где процесс вычислений в основном задаётся алгоритмически (точнее: программно) и аналоговой техники, где процесс вычислений предопределяется структурными схемами [5].

Структурная универсальность позволяет говорить и о специализированности вычислительной системы: для каждой задачи допустима автоматическая настройка такой конфигурации из ресурсов вычислительной системы, которая наиболее адекватна алгоритму решения задачи. Итак, вычислительная система – это средство, в котором диалектически сочетаются противоположные свойства универсальности и специализированности.

Данные два понятия семантически близки, оба призваны характеризовать архитектурные способности вычислительной системы по выполнению возглавляемых на них функций. Однако каждое из них отражает специфические особенности вычислительной системы по использованию исправных ресурсов при переработке информации.

Под надёжностью вычислительной системы понимается ее способность к автоматической (программной) настройке и организации функционирования таких структурных схем, которые при отказах и восстановлении вычислителей обеспечивают заданный уровень производительности или, говоря иначе, возможность использовать фиксированное число исправных вычислителей (при реализации параллельных программ решения сложных задач) [44]. Это понятие характеризует возможности вычислительных систем по переработке информации при наличии фиксированной структурной избыточности (представленной частью вычислителей) и при использовании параллельных программ с заданным числом ветвей.

---

Под живучестью вычислительной системы понимается свойство программной настройки и организации функционирования таких структурных схем, которые в условиях отказов и восстановления вычислителей гарантируют при выполнении параллельной программы производительность в заданных пределах или возможность использования всех исправных вычислителей [8]. Понятие живучести вычислительных систем характеризует их способности по организации отказоустойчивых вычислений или, говоря иначе, по реализации параллельных программ, допускающих варьирование числа ветвей в известных пределах.

Если рассматривать живучесть электронной вычислительной системы разделяют частичный и полный отказы. Под термином «полный отказ вычислительной системы» понимается событие, состоящее в том, что система теряет способность выполнять параллельную программу с переменным числом ветвей [5]. Частичным же отказом считают событие, при котором бывают отказы вычислителей, однако существует возможность реализации на вычислительной системе параллельной программы с переменным числом ветвей. Полный отказ делает производительность системы равной нулю, а частичный отказ приводит лишь к некоторому снижению производительности, т.е. к увеличению времени реализации параллельной программы с переменным числом ветвей. Понятия полного и частичного восстановления вычислительной системы очевидны.

В живучих вычислительных системах допустимо использование аппаратурной избыточности на уровне отдельных функциональных устройств и узлов вычислителей, однако эта избыточность играет лишь вспомогательную роль [16].

Следует выделить, что в живучей вычислительной системе в любой момент функционирования используется суммарная производительность всех исправных вычислителей [8]. Из последнего следует, что программы решения задач должны обладать свойством адаптируемости (под число исправных вычислителей) и иметь информационную избыточность.

Технико-экономическая эффективность вычислительных систем [48]: конструктивная однородность позволяет резко сократить сроки разработки и изготовления систем, приводит к высокой технологичности производства, упрощает и статическую, и динамическую реконфигурации вычислительной системы, облегчает их техническую эксплуатацию. Она существенно упрощает процесс организации взаимодействий между вычислителями вычислительной системы и облегчает создание программного обеспечения. Полнота воплощения трёх основных принципов модели коллектива вычислителей позволяет заметно ослабить зависимость между ростом производительности вычислительной системы и увеличением трудоёмкости их проектирования и изготовления, а также создания системного программного обеспечения. Они открывают возможность построения высокопроизводительных экономически приемлемых вычислительных систем при существующей физико-технологической базе. Более того, возможность неограниченно наращивать производительность позволяет применить для построения вычислительной системы микроэлектронные элементы с быстродействием, далеким от предельного, и, следовательно, обладающие более высокой надежностью и меньшим энергопотреблением [48]. В свою очередь, последнее приводит к снижению расходов на установку искусственного климата и содержание эксплуатационного персонала вычислительной системы.

---

1.1. Аппаратное обеспечение

Аппаратное обеспечение – это набор технических средств (электронных и механических устройств), которые обеспечивают нормальное функционирование любых электронных систем – компьютеров, сетей передачи данных и расширение их основных функций [2].

Аппаратное обеспечение вычислительных систем включает в себя приборы и устройства. Современные компьютеры и компьютерные комплексы имеют блочно-модульную аппаратную конфигурацию, ориентированную на выполнение конкретных видов работ, и собираются из готовых узлов и блоков.

Разнообразие современных компьютеров очень велико, но все они представляют собой реализацию так называемой архитектуры фон Неймана (Принстона), введенной Джорджем фон Нейманом в 1945 году [36]. Рассмотрим классическую архитектуру компьютера на примере архитектуры Фон Неймана.

Принцип работы компьютера состоит из выполнения программ - последовательных арифметических, логических и других операций, описывающих решение задач.

Программа (для компьютеров) - это упорядоченная последовательность команд для обработки [13].

Команда - это описание операции, которую должен выполнить компьютер.

Результат команды генерируется в этой команде. Электронные схемы каждого компьютера могут распознавать и выполнять ограниченный набор простых команд.

На рис.1 показана схема вычислительной машины фон Неймана, на основе которой современные компьютеры создавались более полувека [47].

Рис. 1. Схема фон-неймановской вычислительной машины

Архитектура фон Неймана состоит из следующих основных устройств [28]:

- память, включающая 4096 машинных слов емкостью 40 бит;

- арифметико-логический блок (АЛУ), внутри которого имеется специальный внутренний регистр емкостью 40 бит, так называемая батарея;

- управляющие устройства (КУ), выполняющие функции управления устройством;

- устройства ввода информации;

- устройства вывода информации.

Эти устройства связаны каналами связи [9], по которым передается информация.

В современных компьютерах арифметико-логическое устройство и устройство управления объединены в одну микросхему [49], которая называется центральным процессором (CPU).

Функции процессора [48]:

1) обработка данных для заданной программы путем выполнения арифметических и логических операций

2) программное управление компьютером.

Машинная команда считывает слово из памяти в аккумулятор или сохраняет содержимое аккумулятора в памяти. Машина фон Неймана выполняла арифметические операции только с фиксированной точкой, поскольку Фон Нейман был превосходным математиком и считал, что мы можем держать плавающую точку в своей голове. В основу построения современных вычислительных машин были положены следующие принципы фон Неймана [31]:

---