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

Служебный уровень. Программное обеспечение этого уровня взаимодействует как с программами базового уровня, так и с программами системного уровня. Основное назначение служебных программ (их также называют утилитами) состоит в автоматизации работ по проверке, наладке и настройке компьютерной системы. Во многих случаях они используются для расширения или улучшения функций системных программ. Некоторые служебные программы (как правило, это программы обслуживания) изначально включают в состав операционной системы, но большинство служебных программ являются для операционной системы внешними и служат для расширения ее функций.

В разработке и эксплуатации служебных программ существует два альтернативных направления: интеграция с операционной системой и автономное функционирование. В первом случае служебные программы могут изменять потребительские свойства системных программ, делая их более удобными для практической работы. Во втором случае они слабо связаны с системным программным обеспечением, но предоставляют пользователю больше возможностей для персональной настройки их взаимодействия с аппаратным и программным обеспечением.

Прикладной уровень. Программное обеспечение прикладного уровня представляет собой набор прикладных программ, с помощью которых на одном рабочем месте можно выполнять широкий спектр заданий — от производственных до творческих и развлекательно-обучающих. Огромный функциональный диапазон возможных приложений средств вычислительной техники обусловлен наличием прикладных программ для разных видов деятельности.

Так как между прикладным программным обеспечением и системным существует непосредственная взаимосвязь (прикладное по работает на основе системного обеспечения), то верно утверждение, что универсальность вычислительной системы, доступность прикладного программного обеспечения и широта функциональных возможностей компьютера напрямую зависят от типа используемой операционной системы, от того, какие системные средства содержит ее ядро, как она обеспечивает взаимодействие триединого комплекса человек — программа — оборудование.

5. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем.

Информационное обеспечение - это совокупность программ и предварительно подготовленных данных, необходимых для работы данных программ. Совокупность программного и информационного обеспечения называют математическим обеспечением. В основном оно «жестко» записывается в микросхемы ПЗУ и может быть изменено только путем замены ПЗУ или его перепрограммирования на специальном оборудовании.

---

Вычислительные системы состоят из аппаратного оборудования и программного обеспечения, которое в свою очередь принято разделять на системное, прикладное и математическое обеспечение.

Системное программное обеспечение является неотъемлемой частью для работы Вычислительных систем. Прикладное программное обеспечение предоставляет пользователю дружественный интерфейс взаимодействия с аппаратной средой. Для составления программы ему достаточно знать правила по использованию вычислительной системы в терминах своей предметной области — предметно-ориентированную среду программирования. Так к примеру, для экономистов предлагается среда программирования Кобол, для инженеров — Фортран, Си, для параллельного программирования разработаны свои среды программирования — MPI, OpenMP, Оккам, Фортран-GNS, Фортран-DVM, НОРМА и др.

Ускорить программирование задач можно средствами математического обеспечения. Математическое обеспечение состоит из фонда программ вычислительных алгоритмов, в частности, фонд содержит решения типовых задач математической физики. Фонд непрерывно пополняется, на рынке программных продуктов идет конкуренция между разработчиками МО.

Одна из классификаций математического обеспечения предполагает деление его на следующие разделы: подпрограммы, пакеты программ, библиотеки программ, системы математического обеспечения.

Подпрограммы. Это наиболее известный и часто используемый раздел математического обеспечения. Он состоит из отдельных подпрограмм или программ, содержащих небольшой набор подпрограмм.

Первые численные модели на ЭВМ программировались в двоичных кодах, эти подпрограммы были машинно-ориентированными. Мобильность подпрограмм — возможность их использования на различных ЭВМ появилась с внедрением универсальных языков программирования: Алгола и Фортрана. Другим эффектом внедрения алгоритмических языков высокого уровня было появление новой среды описания вычислительных алгоритмов, программа на таком языке может также служить формальным описанием алгоритма. Особенно ярко эта способность алгоритмического языка служить языком публикаций вычислительных алгоритмов проявилась у языка Алгол-60. В СССР и за рубежом был опубликован обширный спектр вычислительных алгоритмов на этом языке. С 70-х годов описания вычислительных алгоритмов публикуются на Фортране из-за широкого распространения этого языка. Набор алгоритмов, опубликованных в журнале “ACM Transactions on Mathematical Soft.”, охватывает почти все сферы численного анализа.

---

В настоящее время подпрограммы научно-технического характера публикуются в основном на языке Си. Язык Фортран сохраняет позиции как язык публикаций для описания вычислительных алгоритмов. Также известно, что тексты последовательных Фортран-программ удобнее для распараллеливания, чем тексты Си-программ.

Пакеты программ. Пакетом программ называют комплекс программ для решения серийных задач в конкретной области наук и техники. Пакет прикладных программ (ППП), частный случай пакетов, — это система взаимосвязанных программ и средств организации процесса вычислений. При помощи этих средств, в рамках реализованной в пакете стратегии организации вычислений, автоматически генерируется цепочка прикладных вычислительных программ для проведения конкретного вычислительного эксперимента.

Техника ППП широко используются в системах программирования, предназначенных для решения задач линейной алгебры. Базовым уровнем пакетов этого класса служит пакет BLAS (Basic Linear Algebra Subroutine), реализующий основные операции нижнего уровня вычислительной линейной алгебры. Он входит в состав всех пакетов и библиотек линейной алгебры, обеспечивая низкоуровневый интерфейс между программами широкого класса библиотек и ЭВМ различных архитектур. Пакет разделяется на три уровня BLAS: Level 1 BLAS — для векторных операций, Level 2 BLAS — для матрично-векторных операций, Level 3 BLAS — для матричных операций. Этот пакет был разработан еще в 70-ые годы, поэтому возникла необходимость разработки методологии автоматической генерации высокоэффективных подпрограмм для современных вычислительных машин.

Наиболее простой и широко используемый метод оптимизации программ пакета заключается в параметризации характеристик вычислителей и использовании этих данных на уровне трансляции приложений. Другим способом оптимизации программ пакета является разработка кодового генератора. Основой такой технологии является возможность генерации нескольких вариантов объектного кода, а адаптация пакета заключается в определении его наилучшей версии для конкретной архитектуры вычислительных систем и может производиться с учетом времени счета эталонных задач.

Библиотеки программ. Данный вид математического обеспечения состоят из набора пакетов программ (пакет пакетов), предназначенных для решения широкого круга задач, например задач численного анализа, математической статистики и др.

Системы математического обеспечения. Система математического обеспечения — это библиотека программ широкого назначения с проблемно-ориентированным языком, обеспечивающим дружественный интерфейс с пользователями.

---

Одной из старейших систем математического обеспечения ЭВМ

является MATLAB. В расчетах допускается использования таких мощных типов данных, как многомерные массивы чисел, символов, структур, задаваемых пользователями. Область применения MATLABа — это построение математических моделей и разработка алгоритмов, программирование и проведение вычислений, использование научной и технической графики для визуализации и анализа данных.

Заключение

Математические библиотеки в прикладном программировании. Прогресс технологии производства оборудования ЭВМ значительно опережает темпы роста производства программного обеспечения. В программировании не известен аналог закона Мура — удвоение производительности ЭВМ каждые полтора года. Поэтому очень велико значение систем математического обеспечения как элемента индустриальной технологии производства программ приложений. Современное математическое обеспечение, кроме программ элементарных математических функций для вычисления синусов и логарифмов и др., содержит обширный набор стандартных программ для реализации массовых вычислительных алгоритмов. Техника сборки программы из готовых вычислительных компонент снижает трудоемкость программирования приложений. Значительное усложнение программирования из-за появления многопроцессорных кластеров и графических процессоров повышает роль такой техники. Для программирования библиотечных программ можно привлекать узких специалистов в прикладных областях и обеспечивать очень высокую эффективность реализации.

Библиотеки создаются как коммерческий продукт; причем, чем шире круг пользователей и, соответственно, более разнообразен диапазон удовлетворяемых запросов, тем выше цена продукта. Библиотечная программа для расширения области применения должна допускать широкую вариацию входных параметров, обеспечивать настройку на особенности исходных данных и аппаратной среды.

Библиотеки, классифицируемые как системы математического обеспечения, обеспечиваются интерфейсом с языками Фортран и Си. Но системы программирования для этих языков, встроенные в библиотеку, не могут соревноваться по качеству объектного кода с кодом, продуцированным отдельными независимыми компиляторами с этих универсальных языков. Наконец, приложения, получаемые при помощи данной среды программирования, не отчуждаемы от среды и поэтому также не мобильны.

---

Конечно, библиотеки допускают использование своих математических подпрограмм и пакетов из независимых Фортран и Си-систем программирования, однако наибольший эффект от использования библиотеки получается при погружении в ее среду приложения целиком. Коммерческие мотивы в проблеме мобильности приложений несомненны.

Одним из главных критериев качества математического обеспечения считается надежность вычислений, которая обеспечивается, в частности, сертификацией библиотечных программ. Так как лицензия одной программы дешевле лицензии целой библиотеки, то на рынке математического обеспечения всегда будут востребованы пакеты программ, ориентированные под конкретные запросы пользователей.

Можно предположить, что будущее данного направления состоит в ускоренном развитии технологии “облачных пакетов” — генерация сертифицированных пакетов программ с открытым исходным кодом, настроенных на заданную предметную область и конкретную вычислительную среду

Список литературы

1. Максимов Н.В., Партыка Т.Л., Попов И.И. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем - М.: ФОРУМ – ИНФРА - М, 2005.
2. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. -4 изд-е. - СПб.: Питер, 2002.
3. Черняк, Нина Григорьевна. Архитектура вычислительных систем и сетей : Учеб. пособие для вузов по спец. "Орг. механизир. обраб. экон. информ."] / Н. Г. Черняк, И. Н. Буравцева, Н. М. Пушкина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Финансы и статистика, 1986
4. Пятибратов А.П., Гудыно Л.П., Кириченко А.А. Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы, М., 2009.
5. Шилов В. В. Вычислительная система [Электронный ресурс] // ЭНЦИКЛОПЕДИЯ /URL : http://knowledge.su/v/vychislitelnaya-sistema (дата обращения: 07.08.2019)
6. . Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации - СПб: Питер, 2002.
7. Ефремов, В.Ф. Мелехин, К.П. Дурандин , Вычислительные машины и системы: Учебник для вузов/В.Д. Ефремов, В.Ф. Мелехин, К.П. Дурандин и др. - М.: Высш.шк., 1993.
8. В. А. Фисун, Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Естественные науки”. 2012
9. Емельянов С.В Информационные технологии и вычислительные системы. М., 2010.
10. Персональный сайт Каменевой Л.Е [Электронный ресурс]; История развития вычислительных систем / Сайт учителя информатике Каменевой Л.Е, https://www.sites.google.com/site/informatika1011kl/lekcia-vycislitelnye-sistemy, дата обращения 12.10.2019
11. Классификация вычислительных систем [Электронный ресурс] // Информатика, информационные технологии/ URL : http://csaa.ru/klassifikacija-vychislitelnyh-sistem/ дата обращения: 21.11.2019
12. Многопроцессорность [Электронный ресурс] // Материал из Википедии. URL : https://ru.wikipedia.org/wiki/Многопроцессорность (дата обращения: 09.08.2019)
13. Алиев Т.И. Основы проектирования систем [Электронный ресурс] // Портал студенческих и научных материалов Ozlib.com / URL : https://ozlib.com/847102/informatika/harakteristiki_vychislitelnyh_sistem (дата обращения: 30.09.2019)
14. Горбунов – Посадов М. М., Корягин Д. А., Мартынюк В. В. Системное обеспечение пакетов прикладных программ. М.: Наука, 1990.
15. Захаров А. Ю., Маркачев Ю. Е. Современные пакеты и библиотеки программ математического обеспечения // Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша. 1987. № 126.
16. Состав вычислительной системы [Электронный ресурс] // Информатика, информационные технологии/ URL : http://csaa.ru/sostav-vychislitelnoj-sistemy/ дата обращения: 15.11.2019
17. Гергель Виктор. Теория и практика параллельных вычислений [Электронный ресурс] //
18. Интернет-Университет Суперкомпьютерных Технологий НОУ ИНТУИТ/ URL: https://www.intuit.ru/studies/courses/1156/190/lecture/4942?page=4 (дата обращения: 12.02.2020)
19. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы: Учебное пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1991

---