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

ВВЕДЕНИЕ

Наиболее распространенными видами использования компьютерной системы в бизнесе являются управление базами данных, управление финансами и бухгалтерский учет, а также обработка текстов. Компании используют системы управления базами данных, чтобы отслеживать изменение информации в базах данных по таким темам, как клиенты, поставщики, сотрудники, запасы, расходные материалы, заказы продукции и запросы на обслуживание. Финансовые и бухгалтерские системы используются для различных математических расчетов на больших объемах числовых данных, будь то в основных функциях компаний, предоставляющих финансовые услуги, или в бухгалтерской деятельности фирм. В то же время компьютеры, оснащенные программным обеспечением для управления электронными таблицами или базами данных, используются отделами кредиторской и дебиторской задолженности, а также отделами расчета заработной платы для обработки и составления таблиц финансовых данных и анализа ситуации с денежными потоками.

Основным направлением совершенствования ЭВМ является неуклонный рост производительности (быстродействия) и интеллектуальности вычислительных средств. Наиболее перспективным и динамичным направлением увеличения скорости решения прикладных задач является широкое внедрение идей параллелизма в работу вычислительных систем (ВС).

Дальнейшее поступательное развитие вычислительной техники напрямую связано с переходом к параллельным вычислениям, с идеями построения многопроцессорных систем и сетей, объединяющих большое количество отдельных процессоров и ЭВМ.

Термин вычислительная система появился в начале 60-х гг. при появлении ЭВМ III поколения. Это время знаменовалось переходом на новую элементную базу - интегральные схемы. Следствием этого явилось появление новых технических решений: разделение процессов обработки информации и ее ввода-вывода, множественный доступ и коллективное использование вычислительных ресурсов в пространстве и во времени. Появились сложные режимы работы ЭВМ - многопользовательская и многопрограммная обработка. Отражая эти новшества, и появился термин “вычислительная система”, т.е. возможность построения параллельных ветвей в вычислениях, что не предусматривалось классической структурой ЭВМ. Создание ВС преследует следующие основные цели: повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных, повышение надежности и достоверности вычислений, предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.

Наличие нескольких вычислителей в системе позволяет совершенно по-новому решать проблемы надежности, достоверности результатов обработки, резервирования, централизации хранения и обработки данных, децентрализации управления и т.д.

Цель: изучить состав и свойства вычислительных систем и информационное и математическое обеспечение.

Объект исследования: вычислительные системы, информационное и математическое обеспечение вычислительных систем

Предмет исследования: различия информационного и математического обеспечения вычислительных систем.

Задачи курсовой работы:

1. Дать основные понятия, используемые при изучении ВС

2. Сделать классификация вычислительных систем

3. Описать структурную организацию ВС

4. Описать математическое и информационное обеспечение ВС

Глава 1. СОСТАВ И СВОЙСТВА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Основные понятия, используемые при изучении вычислительных систем

Вычислительная система (далее по тексту ВУ) - это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для подготовки и решения задач пользователей. Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. потоковый параллельный вычислитель

Структура ВС - это совокупность комплексируемых элементов и их связей. В качестве элементов ВС выступают отдельные ЭВМ и процессоры. В ВС, относящихся к классу больших систем, можно рассматривать структуры технических, программных средств, структуры управления и т.д. [4]

Основные понятия, используемые в ВС, - это ЭВМ, центральный процессор (ЦП), программное обеспечение (ПО), канал ввода-вывода, устройство управления внешними устройствами (УУВУ) и периферийные устройства.

В настоящее время под словом ЭВМ обычно понимают цифровые электронные машины, предназначенные для автоматизации процесса обработки информации. ЭВМ часто называют компьютером. Термин компьютер означает вычислитель, т.е. устройство для вычислений. Это связано с тем, что первые ЭВМ создавались только для вычислений, т.е. должны были заменить механические вычислительные устройства (арифмометры). Современные ЭВМ делятся на основные классы: суперЭВМ, миниЭВМ, микроЭВМ [4].

ЦП обеспечивает непосредственное преобразование данных по заданной программе и осуществляет управление взаимодействием всех устройств ЭВМ. В состав ЦП входит центральное устройство управления, арифметико-логическое (операционное) устройство (АЛУ), внутренняя память процессора (регистровая, сверхоперативная, кэш-память) [22].

ПО - совокупность программ, процедур и правил вместе со связанной с этими компонентами документацией, позволяющей использовать ЭВМ для решения различных задач. ПО позволяет усовершенствовать организацию работы ВС с целью максимального использования ее возможностей; повысить производительность и качество труда пользователя; адаптировать программы пользователя к ресурсам конкретной ВС; расширить ПО ВС.

Каналы ввода-вывода предназначены для выполнения операций ввода-вывода и обеспечивают все двусторонние связи между оперативной памятью и процессором, с одной стороны, и множеством различных периферийных устройств, с другой [15].

УУВУ обеспечивает управление периферийными устройствами через селекторные (быстрые) и мультиплексные (медленные) каналы ввода-вывода. УУВУ бывают одиночные (управляющие работой одного внешнего устройства) и групповые (обсуживающие несколько однотипных внешних устройств, причем в каждый момент времени они обслуживают лишь одно внешнее устройство).

Периферийные устройства, такие как внешние запоминающие устройства (ВЗУ), обеспечивают хранение больших массивов информации. Наиболее широкое распространение получили ВЗУ на магнитных носителях (лентах и дисках) [15].

Компьютерная система - это компьютер, объединенный с периферийным оборудованием и программным обеспечением, чтобы он мог выполнять нужные функции. Часто термины «компьютер» и «компьютерная система» используются взаимозаменяемо, особенно когда периферийные устройства встроены в тот же блок, что и компьютер, или когда система продается и устанавливается как пакет. Термин «компьютерная система», однако, может также относиться к конфигурации аппаратного и программного обеспечения, предназначенного для конкретной цели, такой как система управления производством, система автоматизации библиотек или система учета [9]. 

Или это может относиться к сети из нескольких компьютеров, соединенных вместе, чтобы они могли совместно использовать программное обеспечение, данные и периферийное оборудование [22].

Компьютеры, как правило, классифицируются по размеру и мощности, хотя достижения в вычислительной мощности компьютеров стирают различия между традиционными категориями. На мощность и скорость влияет размер внутренних блоков памяти компьютера, называемых словами, которые определяют объем данных, которые он может обрабатывать за один раз, и измеряются в битах (двоичные цифры). Скорость компьютера также определяется его тактовой частотой, которая измеряется в мегагерцах. Кроме того, объем основной памяти, которую имеет компьютер, измеряемый в байтах (или, точнее, килобайтах, мегабайтах или гигабайтах) оперативной памяти (оперативной памяти), играет роль в определении объема данных, которые он может обрабатывать. Объем памяти, который могут содержать вспомогательные запоминающие устройства, также определяет возможности компьютерной системы [1].

Термин «персональный компьютер» (ПК) был придуман IBM с запуском своего ПК в 1981 году. Эта модель стала мгновенным успехом и установила стандарт для микрокомпьютерной индустрии. К началу 1990-х годов персональные компьютеры стали самой быстрорастущей категорией компьютеров. Во многом это было связано с принятием их использования на предприятиях всех размеров. Доступность этих небольших недорогих компьютеров принесла компьютерные технологии даже на самые маленькие предприятия [13].

Самая последняя категория микрокомпьютеров для входа в мир бизнеса - это портативные компьютеры. Эти маленькие и легкие, но все более мощные компьютеры обычно называют ноутбуками или ноутбуками. Портативные компьютеры обладают той же мощностью, что и настольные персональные компьютеры, но они построены более компактно и используют мониторы с плоским экраном, обычно с жидкокристаллическим дисплеем, которые складываются, образуя тонкий блок, который помещается в портфель и обычно весят менее 15 фунтов. Ноутбук - это тот, который весит менее 6 фунтов и может иметь или не иметь полноразмерную клавиатуру. Карманный компьютер - это портативный компьютер размером с калькулятор. Персональный цифровой помощник - это карманный компьютер, который использует для ввода ручку и планшет, имеет факс / модемную карту и сочетается с возможностями сотового телефона для удаленной передачи данных [3].

Сегодня большинство компьютерных систем «открыты» - совместимы с компьютерным оборудованием и программным обеспечением разных производителей. В прошлом все компоненты компьютерной системы происходили от одного производителя. Не было общеотраслевых стандартов. В результате принтеры, мониторы и другое периферийное оборудование одного производителя не будут работать при согласовании с компьютером другого производителя. Что еще более важно, программное обеспечение могло работать только на той компьютерной марке, для которой оно было разработано. Сегодня, однако, «открытые системы», в которых различное оборудование разных производителей может быть согласовано друг с другом, распространены. Открытые системы особенно популярны среди владельцев малого бизнеса, поскольку они позволяют предприятиям проще и дешевле модернизировать или расширять свои компьютерные системы [19].

Классификация вычислительных систем

В настоящее время накоплен большой практический опыт в разработке и использовании ВС самого разнообразного применения. Эти системы очень сильно отличаются друг от друга своими возможностями и характеристиками. Существует большое количество признаков, по которым классифицируют ВС: по целевому назначению и выполняемым функциям, по типам и числу ЭВМ или процессоров, по архитектуре системы, режимам работы, методам управления элементами системы, степени разобщенности элементов ВС и др. [24]

Однако основными из них являются признаки структурной и функциональной организации ВС.

По назначению ВС делят на универсальные, проблемно-ориентированные и специализированные. Универсальные предназначаются для решения широкого класса задач. Проблемно-ориентированные используются для решения определенного круга задач в сравнительно узкой сфере. Специализированные ориентированы на решение узкого класса задач. Специализация ВС может устанавливаться различными средствами:

· во-первых, сама структура системы (количество параллельно работающих элементов, связи между ними и т.д.) может быть ориентирована на определенные виды обработки информации: матричные вычисления, решение алгебраических, дифференциальных и интегральных уравнений и т.п. Практика разработки ВС типа супер ЭВМ показала, чем выше их производительность, тем уже класс эффективно решаемых ими задач;

· во-вторых, специализация ВС может закладываться включением в их состав специального оборудования и специальных пакетов обслуживания техники.

По типу ВС различаются на многомашинные и многопроцессорные. Многомашинные (ММС) появились исторически первыми. Уже при использовании ЭВМ первых поколений возникали задачи повышения производительности, надежности и достоверности вычислений [6].

При этом одна из машин выполняла вычисления, а другая находилась в “горячем” или “холодном” резерве, т.е. в готовности заменить основную ЭВМ. Положение 2 ЭК соответствовало случаю, когда обе машины обеспечивали параллельный режим вычислений. Здесь возможны две ситуации:

а) обе машины решают одну и ту же задачу и периодически сверяют результаты решения. Тем самым обеспечивался режим повышенной достоверности, уменьшалась вероятность появления ошибок в результатах вычислений [2];

б) обе машины работают параллельно, но обрабатывают собственные потоки заданий. Возможность обмена информацией между машинами сохраняется. Этот вид работы относится к режиму повышенной производительности. Она широко используется в практике организации работ на крупных вычислительных центрах, оснащенных несколькими ЭВМ высокой производительности. Схема, представленная на рис.1a, была неоднократно повторена в различных модификациях при проектировании разнообразных специализированных ММС. Основные различия ММС заключаются, как правило, в организации связи и обмена информацией между ЭВМ комплекса. Каждая из них сохраняет возможность автономной работы и управляется собственной операционной системой [12].