Файл: Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем (Математическое обеспечение ВС).pdf

Введение

Разработка информационного, математического и программного обеспечения является трудоемкой задачей при создании вычислительных систем. Умение определять состав данных видов обеспечения и понимание их функций необходимы для реализации информационно-вычислительных, управляющих и вспомогательных задач, что обеспечивает достоверность информации, получаемой от первичных преобразователей, высокое качество управления работой технологических процессов и производства в целом.

С момента появления первых средств автоматизации производители аппаратного и программного обеспечения пытаются определить, каким образом будет развиваться автоматизация в будущем, предлагаются различные решения и подходы по совершенствованию процесса автоматизированного управления. Сегодня современные стандартные аппаратные средства способны принять любой стандартный физический сигнал, обменяться данными по любому стандартному протоколу, обработать программу, написанную на любом из стандартных языков. Большинство функций при автоматизации реализуется программно, путем соответствующей обработки информации в управляющем вычислительном комплексе. По этой причине важнейшим компонентом вычислительных систем является ее программное обеспечение (ПО), т.е. – совокупность программ, обеспечивающих реализацию функции АСУТП и заданное функционирование системы.

Во всем разнообразии программного обеспечения сложно выбрать необходимый продукт, соответствующий необходимым требованиям и условиям. Правильный выбор программного обеспечения во многом определяет дальнейший ход всего процесса автоматизации конкретного технологического процесса. Они различаются по назначению, своим возможностям, стоимости и другим характеристикам.

Объект исследования – вычислительные системы.

Предмет исследования – структура и свойства вычислительных систем.

Цель работы – рассмотреть состав и свойства вычислительных систем. информационное и математическое обеспечение вычислительных систем.

Задачи исследования:

- рассмотреть основные понятия, используемые при изучении ВС;

- изучить классификацию вычислительных систем;

- проанализировать реализацию информационного и математического обеспечения вычислительных систем.

Структура работы представлена введением, двумя главами, заключением, списком использованной литературы.

Глава 1. Теоретические основы исследования состава и свойств вычислительных систем

1.1. Основные понятия, используемые при изучении ВС

Вычислительная система, совокупность аппаратно-программных средств, образующих единую среду, предназначенную для решения задач обработки информации (вычислений). Первоначально универсальные вычислительные системы создавались на основе однопроцессорных ЭВМ с целью увеличения их быстродействия. В первых ЭВМ процессоры сами управляли операциями ввода-вывода. Однако скорость работы внешнего устройства значительно меньше скорости работы процессора, поэтому во время операций ввода-вывода процессор фактически простаивал. Чтобы сбалансировать их работу, в конце 1950-х - начале 1960-х годов ЭВМ начали комплектовать независимыми процессорами ввода-вывода для параллельного выполнения вычислений и операций обмена данными, тогда и появился термин «вычислительная система». Основные преимуществами вычислительных систем по сравнению с однопроцессорной ЭВМ являются: значительное повышение производительности за счёт статического или динамического распараллеливания процесса решения задачи (например, выполнение отдельных частей задачи на различный процессорах); увеличение эффективности использования оборудования за счёт более полной его загрузки; повышение надёжности системы и др[10, c.75].

Постоянное увеличение степени интеграции и быстродействия элементов современных микропроцессоров, высокий уровень их надёжности и относительная дешевизна позволяют строить вычислительные системы путём объединения необходимого числа микропроцессоров и организации параллельной обработки данных. Параллелизм в вычислениях в значительной степени усложнил управление вычислительным процессом, а также распределение аппаратных и программных ресурсов. Поэтому важная роль в вычислительных системах стала отводиться операционной системе, выполняющей функции планирования вычислительного процесса и распределения ресурсов (оперативной и внешней памяти, процессоров, периферийного оборудования и др.), а также оптимизирующим компиляторам с языков высокого уровня, позволяющим в наибольшей степени использовать архитектурные особенности микропроцессоров. Большую роль в достижении высокой эффективности работы вычислительных систем играет система коммутации, связывающая процессоры между собой или с модулями оперативной памяти. Как правило, для этого применяют общую шину, с которой соединены процессоры и модули памяти. В вычислительных системах, состоящих из нескольких процессоров, обычно используют матричные коммутаторы, а также топологию связи - кольцо, звезда и др. При объединении большого числа процессоров применяют более сложные топологии связи - тор, гиперкуб и др.

1.2. Классификация вычислительных систем

Современные вычислительные системы сильно отличаются друг от друга своими возможностями и характеристиками, и этим обусловлено разнообразие признаков, по которым классифицируют вычислительные системы (например, по типам и числу ЭВМ или процессоров, архитектуре системы, режимам работы, методам управления элементами системы). Так, вычислительные системы бывают разделимые (включающие несколько ЭВМ, которые способны работать независимо друг от друга) и неразделимые (или многопроцессорные, состоящие из процессоров, каждый из которых может выполнять свои функции только в составе вычислительных систем). Одним из видов неразделимых вычислительных систем являются кластеры, состоящие из нескольких связанных между собой ЭВМ, которые находятся в едином корпусе или соединены скоростным каналом связи.

Вычислительные системы делят также на однородные и неоднородные. Однородная вычислительная система строится на базе однотипных процессоров или ЭВМ, а неоднородная состоит из ЭВМ или процессоров различных типов. Выделяют многомашинные и многопроцессорные вычислительные системы. В многомашинных вычислительных системах каждый из процессоров имеет свою локальную оперативную память и работает, как правило, под управлением своей операционной системы, а в многопроцессорных вычислительных системах процессоры работают с общей оперативной памятью под управлением единой операционной системы. Также выделяют классы параллельных вычислительных систем: SMP (симметричная мультипроцессорная обработка данных - группа процессоров работает с общей памятью), МРР (вычислительные системы с массовым параллелизмом - процессоры, число которых практически не ограничено, работают каждый со своей памятью), NUMA (промежуточная архитектура, сочетающая свойства классов SMP и МРР)[6, c.2].

Если в состав вычислительных систем кроме цифровых вычислительных машин входят аналоговые вычислительные машины, то она относится к гибридным вычислительным системам. Эти вычислительные системы обычно используются при моделировании сложных систем, динамических процессов и др., например, при разработке геолого-технологических моделей нефтяных и газовых месторождений, систем управления полётом самолёта.

В 1966 году М. Флинн (США) предложил классифицировать вычислительные системы по числу потоков команд и потоков данных. Он выделил 4 класса: SISD (один поток команд - один поток данных), к которому относятся системы с одним процессором; SIMD (один поток команд - много потоков данных), включающий однородные векторные и матричные вычислительные системы; MISD (много потоков команд - один поток данных); MIMD (много потоков команд - много потоков данных), в котором каждый процессор работает по своей программе и со своими данными. Эта классификация до сих пор актуальна, однако она не позволяет достаточно полно и точно охарактеризовать все виды вычислительных систем (например, потоковые), поэтому попытки более точно систематизировать всё разнообразие вычислительных систем продолжаются. Например, классификация Базу (США, 1987) основана на последовательном определении принятых при проектировании вычислительных систем решений: уровня параллелизма (данные, команды или задачи), метода реализации алгоритмов (аппаратный или программный), способа параллельного выполнения команд (конвейеризация или одновременное независимое), а также способа управления процессом выполнения команд (синхронный или асинхронный). Кришнамурти (Индия, 1989) предложил классифицировать вычислительные системы по четырём характеристикам: уровню параллелизма; способу реализации параллелизма (аппаратный или аппаратно-программный), топологии (матрица, линейный массив, тор, дерево, звезда и др.), степени связи процессоров (сильная, слабая, средняя) и механизму взаимодействия процессоров (посредством передачи сообщений, разделяемых переменных или по готовности операндов), способу управления (синхронный, асинхронный, потоком данных)[5].

Важными вехами в развитии вычислительных систем стало создание таких систем, как ILLIAC IV (сдана в эксплуатацию в 1974; матричная вычислительная система из 64 процессоров), векторно-конвейерные «Cray-1» (1976, США), «Cyber 205» (1981, США), «CrayC90» (1991, США), вычислительные системы с массовым параллелизмом «Connection Machine-1» (объединяла 65 536 одноразрядных процессоров, связанных через гиперкуб, 1986), «CrayTЗE» (1995) и др. В России выпускались вычислительные систем ПС-2000 (производство с 1981) и ПС-3000 (производство в 1984-87), многопроцессорные вычислительные комплексы «Эльбрус-1» (1980), «Эльбрус-2» (1985). Самая быстродействующая вычислительная система в России на начало 2006 года - МВС-15 000ВМ, установленная в Межведомственном суперкомпьютерном центре РАН. Она объединяет 924 процессора PowerPC и имеет пиковую производительность 8,1 Тфлопс (1 Тфлопс =1012 операций над вещественными числами в секунду). На январь 2006 года рекордная производительность, достигнутая вычислительной системой IBM BlueGene/L, составляла 280,6 Тфлопс.

1.3. Структурная организация ВС

Понятие «вычислительная система» предполагает наличие множества процессо­ров или законченных вычислительных машин, при объединении которых исполь­зуется один из двух подходов.

В вычислительных системах с общей памятью (рис.1) имеется общая основная память, совместно используемая всеми процессорами системы. Связь процессоров с памятью обеспечивается с помощью коммуникационной сети, чаще всего вырождающейся в общую шину. Таким образом, структура ВС с общей памятью аналогична рассмотренной выше архитектуре с общей шиной, в силу чего ей свой­ственны те же недостатки. Применительно к вычислительным системам данная схема имеет дополнительное достоинство: обмен информацией между процессо­рами не связан с дополнительными операциями и обеспечивается за счет доступа к общим областям памяти.

Рис.1. Структура вычислительной системы с общей памятью

Альтернативный вариант организации – распределенная система, где общая память вообще отсутствует, а каждый процессор обладает собственной локальной памятью (рис. 2). Часто такие системы объединяют отдельные ВМ. Обмен ин­формацией между составляющими системы обеспечивается с помощью коммуни­кационной сети посредством обмена сообщениями.

Рис.2. Структура распределенной вычислительной системы

Подобное построение ВС снимает ограничения, свойственные для общей шины, но приводит к дополнительным издержкам на пересылку сообщений между про­цессорами или машинами.

Любая ВС (точнее, информационно-вычислительная система) состоит из двух взаимно дополняющих составляющих: аппаратного обеспечения (АО, английский термин hardware) и программного обеспечения (ПО, английский термин software). Первое понятие включает в себя физические объекты – шины (проводники), электронные платы, микросхемы, включая процессор и др. Вторая составляющая является абстрактным понятием, основу которого составляют алгоритмы, записанные в виде последовательности операторов того или иного уровня вплоть до машинных команд.

Развитие АО ВС, начиная с момента создания первых электронных вычислительных машин (ЭВМ) в середине XX в., всегда шло опережающими темпами по отношению к развитию ПО. К настоящему времени разработан широкий спектр в/с, начиная от суперкомпьютеров и мэйнфреймов (большие ЭВМ) и кончая блокнотными и карманными компьютерами[14].

Упрощенная блок-схема классического компьютера показана на рис. 3.

1. Процессор(центральный процессор) – основной вычислительный блок компьютера, содержит важнейшие функциональные устройства:

- устройство управления с интерфейсом процессора (системой сопряжения и связи процессора с другими узлами машины);

- арифметико-логическое устройство;

- процессорную память.

Процессор, по существу, является устройством, выполняющим все функции элементарной вычислительной машины.

2.  Оперативная память– запоминающее устройство, используемое для оператив­ного хранения и обмена информацией с другими узлами машины.

3. Каналы связи(внутримашинный интерфейс) служат для сопряжения централь­ных узлов машины с ее внешними устройствами.

4.  Внешние устройства обеспечивают эффективное взаимо-действие компьютера с окружающей средой: пользователями, объектами управления, другими маши­нами. В состав внешних устройств обязательно входят внешняя память и уст­ройства ввода-вывода.

Рис. 3. Упрощенная блок-схема компьютера

Ограничимся рассмотрением структуры и назначения основных элементов такого массового представителя ВС как персональные компьютеры (ПК), которые получили наибольшее распространение.

ПК состоит из системного блока и соединенных с ним внешних устройств, к основным из которых следует отнести устройства ввода-вывода: монитор, клавиатуру и манипулятор мышь (и возможно другие устройства). В состав системного блока входит материнская (системная) плата, приводы (дисководы) жестких и других дисков – внешняя память, блок питания, различные разъемы для подключения внешних устройств. На материнской плате расположены: микропроцессор (центральный процессор, выполненный на одном кристалле полупроводникового материала); системная и локальные шины, связывающие между собой различные элементы, расположенные на материнской плате; модули постоянной и оперативной памяти; видеокарта; адаптеры для подключения внешней памяти и внешних устройств; разъемы для подключения дополнительных устройств.