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

Рассмотрим назначение основных элементов системного блока ПК. Микропроцессор является центральным звеном ПК: он выполняет основные вычислительные операции и функции управления другими составляющими ПК. Системная шина в физическом смысле представляет собой набор проводников, расположенных на системной плате в несколько слоев, и предназначена в первую очередь для связи между быстро-действующими компонентами системной платы (микропроцессор, оперативная память и видеокарта). Она состоит из шины данных, шины адреса и шины управления. Кроме нее на системной плате существуют так называемые локальные шины, которые связывают другие отдельные устройства с системной шиной.

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) предназначены для хранения информации не только при включенном, но и при выключенном питании компьютера, в частности, о составе и настройках системного блока, системного времени и т. д. Оперативная память (ОП) предназначена для хранения и обмена информации только при включенном питании ПК. Здесь хранится информация о программах и данных, которые непосредственно находятся в процессе исполнения. При выключении питания вся информация в оперативной памяти теряется. Внешняя память предназначена для долговременного хранения информации в ПК, т. е. и при выключенном питании ПК. Она разделяется на несъемную и съемную внешнюю память. Несъемная внешняя память – это так называемые жесткие диски, которые расположены в системном блоке и представляют собой носители информации на магнитной основе. Отметим скорость работы и объемы рассмотренных видов памяти ПК. ПЗУ является самым низкоскоростным и малообъемным видом памяти. Оперативная память является более скоростным и объемным (несколько Гб) устройством. Жесткие диски как частично механические устройства уступают ОП по скорости, но значительно превосходят ее по объему (десятки и сотни Гб). Существуют разные виды съемной внешней памяти: гибкие диски, CD и DVD оптические диски, флэш-память и др.

Видеокарта представляет собой электронное устройство, расположенное на системной плате, и предназначено для хранения, обработки видеоинформации и связи с монитором. Видеокарта обладает своей собственной ОП. Адаптеры – это специальные электронные устройства, обеспечивающие связь между внешней памятью, внешними устройствами и системной и локальными шинами ПК.

Таким образом, была раскрыта структурная схема ЭВМ. Структура компьютера - это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов. Центральной частью компьютера является системный блок, с присоединенными к нему клавиатурой, монитором и мышью. Описаны основные компоненты ЭВМ: микропроцессор, внешняя и внутренняя память, генератор тактовой частоты, контроллеры (в том числе контроллер прерывания), системная шина, устройства ввода и вывода информации и другие. Рассмотрен принцип взаимодействия основных устройств. А так же рассмотрены принципы Фон Неймана, рассмотрена работа оперативной памяти и как представляется информация в ЭВМ.

Глава 2. Реализация информационного и математического обеспечения вычислительных систем

2.1. Математическое обеспечение ВС

Среди видов обеспечения АСУ (технического, математического, программного, информационного и лингвистического) в качестве приоритетного сегодня выделяется математическое, так как именно оно определяет прогностические возможности системы управления и, как следствие, обеспечивает выбор наиболее эффективного варианта принимаемого решения. Тем более что оно непосредственно реализуется в программном обеспечении, в значительной степени определяя его качество.

В настоящее время под специальным математическим обеспечением АСУ понимается совокупность математических моделей операций (боевых действий), информационных и расчетных задач, реализуемых в процессе управления войсками (силами)[9].

Следует дифференцированно оценивать направления развития специального математического обеспечения современных АСУ.

Следует отметить, что наличие операционной системы связано с применением нового языка программ. Обычно этот новый язык называют языком загрузки, в от­личие от первого, который называют языком машины. Составление программ непосредственно в языке загрузки (в его письменной форме) ненамного легче, а иногда и труднее, чем составление программ на языке ЭВМ.

Существуют языки программирования, более удобные для программиста, чем языки машины или загрузки. Применение таких языков связано с применением трансляторов. Использование ЭВМ требует наличия ряда вспомогатель­ных программ, которые не имеют отношения к конкретным задачам, но необходимы для того, чтобы можно было эф­фективно их решать.

Совокупность таких программ назы­вают математическим или программным обеспечением  ЭВМ. Такое объяснение термина «математическое обеспе­чение», конечно, слишком туманно. Кроме программ, вхо­дящих в математическое обеспечение, есть и другие програм­мы, содержательные, предусматривающие решение задач. Ведь именно для решения задач и нужны ЭВМ. Чем же отли­чаются одни программы от других? Прежде всего следует все программы разделить на два класса: программы сос­тавленные на языке машины, и программы, составленные на языке загрузки. Первые называются служебными, а вторые – рабочими.

Очевидно, программы пользователей после трансляции все являются рабочими. Но и некоторые программы мате­матического обеспечения тоже являются рабочими. На­пример трансляторы. В чем же особенность программ мате­матического обеспечения? Эта особенность заключается в определенной взаимосвязи между ними. Программное обес­печение ЭВМ – это не совокупность, а система программ. Их называют системными в отличие от программ пользова­телей.

Способ объединения программ в систему математическо­го обеспечения ЭВМ избирают в соответствии с целью, для которой создается математическое обеспечение. Этот способ частично относится к компетенции теории алгоритмов, час­тично выходит за ее рамки. Последнее неизбежно, так как математическое обеспечение предназначено для удовлетво­рения реальных потребностей, а не для выполнения каких-то абстрактных условий. Способ объединения программ можно коротко охарактеризовать.

1. Системные программы объединены в так называемую системную библиотеку программ. Это значит, что для каж­дой системной программы точно определено в запоминающих устройствах ЭВМ место, на котором она должна находить­ся (на магнитной ленте, магнитном диске в оперативной памяти, на перфоносителях; тогда должно быть известно место их хранения в то время, когда они не применяют­ся). Но этого недостаточно. Библиотека программ пред­полагает наличие массива информации, с помощью которо­го автоматически можно найти любую программу, включен­ную в библиотеку. Такой массив называется каталогом (как и в обычных библиотеках). Для того чтобы с его по­мощью автоматически находить системные программы, нуж­ны программы обслуживания библиотеки. Программы, не организованные в виде библиотеки программ, если их мно­го, практически недоступны.

2. Системные программы должны быть документально оформлены по единым правилам, принятым для данной сис­темы математического обеспечения. При этом, во-первых, должны быть сделаны подробные описания программ, для того чтобы можно было ознакомиться с их функциями, а, во-вторых, должны быть в наличии инструкции по приме­нению программ и оформлению исходных данных.

3. Системные программы должны удовлетворять системе правил, определяющих их структуру как предложений фор­мального языка, для того, чтобы было возможно их вза­имодействие при выполнении процессорами. Такие правила называются системными соглашениями.

4. Системные программы должны быть выполнимы на ЭВМ либо непосредственно, либо благодаря наличию дру­гих программ в составе математического обеспечения.

Каким из указанных условий не удовлетворяют про­граммы пользователей? Прежде всего, эти программы не включены в системную библиотеку. Кроме того, обычно они не имеют документального оформления, требуемого данной системой. Что касается системных соглашений, то програм­мы пользователей им удовлетворяют, так как без этого они были бы невыполнимы с помощью операционной системы. Мало того, они были бы непереводимы с помощью систем­ных трансляторов на алгоритмический язык загрузки.

Программы пользователей обычно выполнимы на ЭВМ с помощью операционной системы. Поэтому четвертому тре­бованию они удовлетворяют. Четвертое требование касает­ся не пользовательских, а системных программ. Оно не допускает включения в систему математического обеспече­ния некоторых программ до тех пор, пока не будут в нее включены определенные другие программы.

Из описания математического обеспечения ЭВМ видно, что между программами пользователей и системными про­граммами пропасти нет, но есть довольно глубокий ров, наполненный довольно мутной водой. Стоит только доку­ментально оформить программу пользователя так, как это принято в данной системе математического обеспечения, и включить эту программу в библиотеку – и все! Пользо­вательская программа стала системной.

Следует иметь в виду, что «бессистемное» размножение системных программ может переполнить системную библиотеку, если она рассчитана на малое коли­чество программ.

Некоторые реальные системы математического обеспе­чения составлялись, видимо, без учета вышеприведенных четырех требований, на основе интуиции их разработчиков. Документированы они недостаточно (потому что при их аморфности документирование связано с большими труд­ностями), главным образом инструкциями по применению. Системная библиотека «раздергана» на отдельные группы команд и коды и разбросана среди других команд. Разви­тие такой системы практически невозможно, так как неиз­вестно, как включать в нее новые программы. Подобные системы представляют собой огромные совокупности ко­манд, в которых сами разработчики ориентируются с трудом и которые незаслуженно вызывают восхищение и почти­тельный трепет у неискушенных пользователей этих систем.

2.2. Информационное обеспечение ВС

Программное обеспечение вычислительной техники – это программные средства, автоматизированные системы, системы обработки информации (программные средства – программу, программы на носителе данных с технической документацией автоматизированные системы и системы обработки информации, комплексы технических и программных средств с технической документацией).

Согласно ГОСТ 17194-76 к информационным функциям относятся функции автоматизированной системы управления, целью которых является сбор, преобразование, хранение информации о состоянии объекта управления, представление этой информации оперативному персоналу или передача ее для последующей переработки.

Информационное обеспечение АСУ ТП содержит, прежде всего, алгоритмы сбора и обработки технологической информации. Кроме алгоритмов сбора информации с датчиков и ее обработки (усреднение, фильтрация и т.д.) сюда же входят алгоритмы контроля достоверности исходной информации.

Кроме сбора и обработки входной информации с организацией массивов данных для решения задач управления информационные алгоритмы АСУ ТП осуществляют: проверку соответствия основных параметров ТП допустимым значениям с сигнализацией выхода за пределы, вычисления ряда комплексных показателей, характеризующих качество ведения ТП, расчет необходимых технико-экономических показателей, составление оперативной и отчетной документации. Объем этих функций зависит от сложности информационной модели данной системы управления. Под информационной моделью понимается отображение параметров внешней среды и переменных систем управления, организованное с помощью специальных средств по определенным алгоритмам.

Информационное обеспечение АСУ ТП должно отвечать основному требованию, которое заключается в представлении всем функциональным подсистемам информации для решения задач управления в необходимом объеме, в требуемые сроки и в удобной для пользования форме. Отсюда вытекают основные принципы организации информационного обеспечения:

- обеспечение полноты данных, необходимых для решения задач системы; минимальное дублирование данных;

- одноразовый ввод и многократное использование данных задачами-пользователями;

- быстрый поиск информации;

- поддержание информации в достоверном состоянии.

Основные функции информационного обеспечения состоят в создании и ведении информационной базы, а также в обеспечении задач системы информацией, необходимой для автоматизации функций управления. Таким образом, информационное обеспечение играет роль обеспечивающей подсистемы. При этом оно должно обеспечить: решение всех задач информацией с минимальными временными и стоимостными затратами на решение этих задач; единство использования технико-экономических показателей; возможность сокращения времени, необходимого для получения технико-экономических данных.