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

Актуальность темы курсовой работы состоит в том, что в последнее время программирование расширяет сферу применения в нашей жизни, однако это приводит также и к росту стоимости программного обеспечения и сложности программ. Это делает актуальным применение методов программной инженерии для упрощения и снижения стоимости разрабатываемых программ.

В силу важности разработки программного обеспечения для вычислительных систем наиболее важными являются аспекты информационного и математического обеспечения, которые и рассматриваются в данной работе. Для того, чтобы понимать особенности информационного и математического обеспечения, нами также будут рассмотрены понятия состава и свойства вычислительных систем.

Итак, целью нашей работы является анализ особенностей информационного и математического обеспечения современных вычислительных систем. Для достижения данной цели нами поставлены следующие задачи:

Дать понятие вычислительной системы и описать наиболее важные свойства таких систем.
Охарактеризовать наиболее важные виды и особенности информационного обеспечения вычислительных систем.
Выявить основные разновидности математического обеспечения вычислительных систем.

Таким образом, предметом курсовой работы является информационное и математическое обеспечение вычислительных систем, а объектом – вычислительные системы и их свойства.

В силу специфики темы исследования в работе использовались как общедоступные источники сети Интернет, которые включают в себя документацию по вычислительным системам, базам данных, языкам программирование, а также теоретические работы таких исследователей как В.П. Агальцов, К. Дейт, И.Г. Семакин, С.В. Русаков, Л.В. Шестакова, Смирнова Г. Н., Сорокин А. А., Тельнов Ю. Ф. и других, в том числе и иностранных. Данная литература содержит теоретические описания вычислительных систем и применяемых информационных и математических моделей, в связи с чем она важна для раскрытия темы нашей работы. Так как эти книги написаны специалистами в рассматриваемых областях, изложенную в них информацию следует признать надежной.

Глава 1. Состав и свойства вычислительных систем

1.1 Понятие вычислительной системы

Вычислительная машина определяется в ГОСТ 15971-90 как совокупность технических средств (оборудования), которые позволяют обрабатывать информацию. ЭВМ, или компьютер – это вычислительная машина на электронных компонентах.

По мере развития ЭВМ появились многопроцессорные системы и сети, объединяющие большое количество отдельных процессоров и вычислительных машин, программные системы, реализующие параллельную обработку данных на многих вычислительных узлах. В результате появился термин «вычислительные системы»[3].

Для понимания этого термина следует знать также следующие понятия:

Система (от греч. systema — целое, составленное из частей соединение) — это совокупность элементов (объектов), взаимодействующих друг с другом, образующих определенную целостность, единство [4].

Объект (от лат. objectum — предмет) — это термин, используемый для обозначения элементов системы.

Вычислительная система определяется, таким образом, как система ЭВМ, а также периферийного оборудования и различных видов обеспечения вычислительной системы. Смысл данной системы, образующий ее целостность, заключается в обработке информации. Отличие вычислительной системы (ВС) от отдельной ЭВМ заключается в наличии нескольких вычислительных центров, что позволяет обрабатывать информацию параллельно, ускоряя тем самым ключевые процессы ее обработки и повышая надежность и достоверность осуществляемых вычислений.

Формально отличие ВС от ВМ выражается в количестве вычислительных средств. Множественность этих средств позволяет реализовать в ВС параллельную обработку.

Таким образом, вычислительная система является результатом интеграции аппаратных средств и программного обеспечения, функционирующих в единой системе и предназначенных для совместного выполнения информационно-вычислительных процессов. Важнейшими структурными компонентами ВС являются аппаратные средства и программное обеспечение [5].

Аппаратное средство (hardware) включает в себя все внешние и внутренние физические компоненты компьютерной системы (из п. 3.7.2 ГОСТ Р 53394-2009).

Программное обеспечение (software) по ГОСТ Р 53394-2009 — это совокупность информации (данных) и программ, которые обрабатываются компьютерной системой.

С технической точки зрения вычислительная система — это комплекс вычислительных средств, объединенных в информационновычислительную сеть.

Основной отличительной чертой вычислительных систем по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Точного различия между вычислительными машинами и вычислительными системами определить невозможно, так как вычислительные машины даже с одним процессором обладают разными средствами распараллеливания, а вычислительные системы могут состоять из традиционных вычислительных машин или процессоров.

Необходимо понимать разницу между компьютерами и информационной системой: компьютеры оснащены специальными программными системами, являются технической базой и инструментом для информационных систем.

Информационная система — это организационно упорядоченная совокупность документов (массивов документов) и информационных технологий, в том числе с использованием средств вычислительной техники и связи, реализующих информационные процессы [1, ст. 2] (из п. 3.1.7 ГОСТ Р 54089-2010) [7].

Информационная система немыслима без персонала, взаимодействующего с компьютерами и телекоммуникациями.

Информационная система с технической точки зрения — это взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения, обработки и выдачи информации в интересах достижения поставленной цели.

Структуру ВС можно представить в виде пирамиды, в качестве уровней которой выступают [3]:

Аппаратные средства, то есть физически представленное в системе оборудование.
Средства управления аппаратными средствами.
Средства управления логическими устройствами, а именно программы. Они не зависят от аппаратных средств, поэтому описываются как логические устройства.
Системное программное обеспечение ВС – обеспечивает работу вычислительной системы. Сюда также входят системы, позволяющие разрабатывать программы (системы программирования).
Прикладное программное обеспечение – программы, которые решают уже конкретные задачи какой-либо предметной области.

Более подробно уровни, связанные с программами, будут описаны во второй и третьей главе нашей работы

1.2 Свойства вычислительных систем

Охарактеризуем отдельные признаки, по которым вычислительные системы классифицируются.

По назначению ВС выделяются универсальные системы, которые решают широкий класс задач, и специализированные системы, целью которых является решение узкого класса специализированных задач.

По типу построения выделяют многомашинные ВС, в состав которых входят несколько компьютеров, и многопроцессорные ВС, в которых имеется один компьютер, но несколько процессоров.

Исторически первыми были именно многомашинные системы, в которых каждый компьютер имеет свою собственную ОС. Взаимодействие между компьютерами в многомашинной ОС возможно на уровне процессоров (через регистры процессорной памяти, довольно сложный по реализации вариант), на уровне оперативной памяти (требует специальных функций ОС для управления общей памятью системы), а также на уровне каналов связи (наиболее простой вариант, осуществляется через драйверы).

В многопроцессорных системах несколько процессоров работают с одной и той же ОС в рамках одного компьютера. Это гораздо проще, необходимо управление общей памятью для всех процессоров, которое и осуществляет ОС, имеющая драйверы для поддержки нескольких процессоров. Таким образом, производительность таких систем выше, но требуется специальное системное программное обеспечение для их функционирования. Основным недостатком таких систем является возможность конфликтов памяти при обращении нескольких процессоров к памяти одновременно. Эффективными являются только системы до десяти процессоров, дальше производительность существенно замедляется из-за конфликтов.

По типу используемых ЭВМ различаются [13]:

Однородные ВС – компьютеры одного типа, используются стандартные средства их связи.
Неоднородная ВС – несколько различных типов компьютеров либо процессоров в них. Обслуживание такой системы достаточно сложно в связи с наличием в них средств с различными техническими и функциональными характеристиками.

По признаку наличия различных методов управления элементами ВС различаются:

Централизованные ВС. Управление осуществляется из одного центра, который распределяет задания элементам системы и ресурсы между ними. Наиболее простой с точки зрения организации операционной системы вариант.
Децентрализованные ВС. Отдельные ЭВМ в системе автономны, обмениваются сигналами между собой. Данный тип систем довольно интенсивно развивается.
Вычислительные системы со смешанным управлением. Имеется как центр, так и обмен сигналами между звеньями системы.

По режиму работы вычислительной системы различаются системы с оперативным режимом, которые работают в реальном времени, и системы с неоперативным режимом, которые могут откладывать свои решения и не связаны жесткими временными рамками, как в первом случае.

Таким образом, по итогам исследования в первой главе можно сделать следующие выводы:

Вычислительная система определяется, как система ЭВМ, а также периферийного оборудования и различных видов обеспечения вычислительной системы. Смысл данной системы, образующий ее целостность, заключается в обработке информации. Отличие вычислительной системы (ВС) от отдельной ЭВМ заключается в наличии нескольких вычислительных центров, что позволяет обрабатывать информацию параллельно, ускоряя тем самым ключевые процессы ее обработки и повышая надежность и достоверность осуществляемых вычислений.
Основные свойства ВС связаны с их типологией. По назначению ВС выделяются универсальные системы, которые решают широкий класс задач, и специализированные системы, целью которых является решение узкого класса специализированных задач. По типу построения выделяют многомашинные ВС, в состав которых входят несколько компьютеров, и многопроцессорные ВС, в которых имеется один компьютер, но несколько процессоров. Кроме того, различаются однородные и неоднородные ВС, централизованные и нецентрализованные системы, а также системы с оперативным и неоперативным временным режимом.

Глава 2. Информационное обеспечение вычислительных систем

2.1 Понятие информационного обеспечения и базы данных

Информационное обеспечение ВС является совокупностью той информации, которую ВС обрабатывает, а также форм и способов ее хранения. Функции информационного обеспечения ВС [8]:

Предоставление информации пользователям.
Хранение и обработка информации.
Автоматизация доступа к информации.
Обеспечение разных уровней доступа к информации.
Обеспечение ввода информации в систему.
Обеспечение связи между подсистемами и обмена информацией между ними.

Все эти функции в настоящее время реализуются с использованием технологии баз банных, к характеристике которой мы и приступим далее. База данных (БД) – может быть определена как логически связанный набор данных, целью которого является реализация определенных информационных потребностей. Система по управлению базами данных (СУБД) – это программное обеспечение, при помощи которого пользователями может определяться, создаваться и поддерживаться база данных, а также они могут получать к базе данных контролируемый доступ [5, с. 123]. Таким образом, база данных – это объект, которым СУБД управляет.

Возможна различная классификация СУБД. Например, по видам их пользователей:

Локальные, то есть реализуемые на одном компьютере (такие как Clarion, Clipper, FoxPro, Paradox, dBase, Microsoft Access).
Групповые базы – предназначены для работы групп пользователей, обычно реализуются через архитектуру клиент-сервер (Oracle, DB2, Microsoft SQL Server, Inter Base, Sybase, Informix).
Корпоративные базы – принадлежат большим предприятиям, доступ распределен территориально, могут быть многочисленные уровни доступа к данным и сложная иерархия устройства СУБД и управления ей. В качестве серверов могут выступать: Oracle, DB2, Microsoft SQL Server [5, с. 76].

Виды СУБД по технологии хранения данных:

Фактографические – аналог бумажных карточек, характеризуются фиксированными форматами данных.
Документальные – аналог архива документов, важную роль играет поиск, так как содержат множество графических объектов и текстовых документов неопределенной структуры [12, с. 156].