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

Введение

Что такое вычислительная система? Это совокупность аппаратно-программных средств, то есть «железа» и «софта», предназначенная для решения различных задач, связанных с обработкой информации. Этот термин появился в 60-х годах, вместе с появлением ЭВМ 3 поколения. Тогда процессоры ЭВМ сами управляли операциями ввода-вывода, что создавало проблему неполного использования мощностей процессора, ведь внешнее устройство ввода-вывода работало гораздо медленней самого процессора, потому последний фактически простаивал. В итоге в 60-х ЭВМ стали укомплектовывать отдельными устройствами ввода-вывода, для параллельного процесса вычислений и обмена данными.

Инновационность вычислительных систем заключается в том, что, они реализуют параллельную обработку информации. Главные предназначения вычислительной системы – ускорение процессов обработки данных, повышение надежности и точности вычислений.

При современных темпах развития технического прогресса увеличивается степень интеграции и быстродействие элементов, а также их уровень надежность, при этом цена уменьшается. Все это позволяет увеличивать количество параллельных потоков вычисления.

Современные вычислительные системы очень различны, и описываются большим количеством различных характеристик. Так, в 1966 году профессор Стэнфордского университета Майкл Флинн предложил 4 класса вычислительных систем: ОКОД(SISD) —с одиночным потоком команд и одиночным потоком данных, ОКМД (SIMD)— с одиночным потоком команд и множественным потоком данных, МКОД (MISD)— со множественным потоком команд и одиночным потоком данных, МКМД (MIMD)— со множественным потоком команд и множественным потоком данных. Эту классификацию все еще используют, но сейчас она уже не характеризует все виды систем достаточно точно и полно.

В своей курсовой работе я постараюсь рассмотреть все свойства вычислительных систем, опишу их состав и характеристики.

Глава 1. Состав и свойства вычислительных систем

1.1 Состав вычислительных систем

Вычислительная система состоит из аппаратного и программного обеспечения.

• • 1. Аппаратное обеспечение

Аппаратный блок ВС – это устройства и приборы. Они бывают внутренние и внешние, в зависимости от расположения относительно процессора. Внешняя архитектура включает в себя системный блок, монитор, и периферийные устройства ввода-вывода, такие, как клавиатура, мышь, принтер, сканер и т.д. Внутренняя архитектура – это модули памяти, такие как RAM и жесткий диск, а также шины и видеокарта. Все эти девайсы составляют аппаратную конфигурацию вычислительной системы. Чем дороже и качественнее выполнены составляющие, чем эффективнее и будет их работа, и тем выше производительность.

Согласование и передача данных между этими составляющими осуществляется с помощью аппаратных интерфейсов. Для корректной работы всей этой системы ей нужен общий «язык». В вычислительной технике этот «язык» называется протоколом. По сути, протокол – это набор соглашений интерфейса логического уровня, которые и позволяют узлам понимать друг друга.

По способу передачи данных аппаратные блоки делятся на параллельные и последовательные. В последовательном интерфейсе биты передаются друг за другом по одной сигнальной линии. Такой интерфейс дешевле, и устройство его проще, но их пропускная способность и КПД меньше, а потому и применяют их для более медленных устройств.

В параллельном интерфейсе для каждого бита передаваемой группы используется своя сигнальная линия. Его устройство сложнее и дороже, используется большее количество проводов и контактов разъемов, но при этом он обеспечивает более высокую производительность. Обмен данных в последовательном интерфейсе производится в битах, а в параллельном – в байтах.

Рассмотрим более подробно аппаратные узлы вычислительной системы.

К аппаратному обеспечению, прежде всего, относится центральный процессор (или процессоры). Он представляет собой интегральную электронную схему, выполняющую машинные инструкции (код на машинном языке). Главная задача процессора – управление процессами между узлами вычислительной системы. Характеризуется ЦПУ внутренней и внешней тактовой частотой, производительностью, энергопотреблением, разрядностью.

RAM или оперативная память – узел аппаратного обеспечения, который необходим для хранения кода программы при ее выполнении. Во время обработки ЦП программы в нем хранятся входные, выходные и промежуточные данные.

Периферийные устройства также являются важной частью аппаратного интерфейса. К ним относят устройства ввода, вывода и хранения. Ввод информации в вычислительную систему производится при помощи мыши, клавиатуры, тачпада, сенсорного экрана, микрофона, сканера, веб-камеры, устройств захвата видео.

Вывод информации осуществляется через принтер, монитор, наушники или акустическую систему.

Внутренние периферийные устройства крепятся на материнскую плату. На ней же находятся и шины, по которым передаются данные от одного узла к другому.

Существует несколько видов шин:

Шина управления – по ней передаются сигналы, обуславливающие характер взаимодействия узлов;

Шина адреса – предназначена для указания адреса ячейки памяти;

Шина данных – по ней передаются данные, которыми обмениваются узлы;

Шина питания – предназначена на подключения всех узлов ПК к питанию.

Однако, чтобы все эти компоненты работали эффективно, необходимо соответствующее программное обеспечение.

• • 1. Программное обеспечение.

Под программным обеспечением понимается набор кода, то есть, программа, написанная таким образом, чтобы ее понимал блок управления – ЦП. В современных вычислительных системах программы пишутся на высокоуровневых языках, а затем при помощи интерпретатора переводятся в машинный код. Главная задача программного обеспечения – управление аппаратной частью вычислительной системы. В современной вычислительной системе без программного обеспечения аппаратный блок не имеет смысла и не будет работать, поэтому эта часть компьютера не менее важна.

Сам термин «программное обеспечение» стал применяться в 60-х, как раз, когда началось разграничение физических компонентов ЭВМ и кода. Сейчас нам доступно множество различного «софта». Каждая программа заточена под выполнение своей задачи, и чем лучше и качественные написан код, тем эффективнее будет работать вся система.

В вычислительной системе есть 3 типа программного обеспечения:

-Прикладное – программы, написанные для выполнения определенного рода задач.

-Инструментальное – системы (набор инструментов), предназначенные для программирования, то есть создания определенных прикладных программ.

-Системное – «сердце» вычислительной системы, программы, без которых невозможно ее функционирование. Главным системным ПО является операционная система, драйвера, системы тестов и диагностики, антивирусы, языки программирования.

Операционная система – важнейший программный компонент, комплекс программ, обеспечивающий управление ресурсами вычислительной системы и помогающий пользователю взаимодействовать с ней. Операционная система является связующим звеном между архитектурой компьютера (аппаратной частью) и прикладным «софтом».

Существует несколько режимов работы операционных систем.

В режиме пакетной обработки задачи выполняются одна за другой, выстраиваясь в очередь, или в несколько очередей. Такой режим является, по сути, однозадачным, а значит, в современных вычислительных системах он не эффективен.

В мультипрограммном режиме происходит разделение времени, то есть программы в таком режиме выполняются одновременно (так же это называется мультипрограммирование). Этот режим обеспечивается переходом процессора от выполнения одной задачи к выполнению другой. Соответственно, он более эффективно использует машинное время и оперативную память, ведь если при выполнении задачи произойдет какая-либо ситуация, процессор не будет простаивать, а переключится на выполнение другой. Сложность реализации такого режима в необходимости определения очередности выполнения задач. Чтобы система работала максимально эффективно, нужно также определить моменты переключения с одной задачи на другую, чтобы память не простаивала.

В режиме реального времени программы выполняются в синхронном темпе с внешними процессами. Операционные системы, работающие в таком режиме, обеспечивают обработку возникающих внешних задач в реальном, предсказуемом промежутке времени. Они используются в системах, требующих быстрой реакции на события.

Кроме ОС в вычислительной системе используются и другие сервисные программы, такие, как драйверы и утилиты. Они предоставляют пользователю возможность подключения к компьютеру внешних (периферийных) узлов, их настройку и настройку параметров ОС.

Другое системное ПО – программы тестов и диагностики – позволяют проверить корректность работы компонентов системы и при выявлении неисправностей их устранить.

Антивирусное ПО – еще один вид системных программ, анализирующие компьютер для выявления вредоносного ПО или «вирусов», замедляющих или даже останавливающих работу системы.

Также системным ПО считаются языки программирования – инструменты для написания ПО.

Инструментальное ПО включает в себя, в основном, СУБД (системы управления базами данных). Эти системы предназначены для создания и использования больших массивов данных, или по-другому, баз данных.

Прикладное ПО – это очень обширная область. Прикладная программа создается для решения конкретной задачи, и классификация такого ПО очень широка. По сфере применения прикладные программы делятся на:

- ПО для предприятий и организаций;

- ПО для обеспечения доступа пользователя к компьютерным устройствам;

- ПО инфраструктуры предприятий;

- ПО информационного работника;

- ПО для доступа к контенту;

- Образовательное ПО;

- Имитационное ПО;

- Инструментальное ПО в области медиа;

- ПО для проектирования и конструирования.

• • 1. Классификация вычислительных систем

Вычислительные системы можно характеризовать большим количеством параметров, а значит, и классифицировать их однозначно непросто. Одним из способов является разделение их на разделимые, то есть состоящие из нескольких электронных машин, которые функционируют независимо, и неразделимые, то есть вычислительные машины, включающие в себя несколько процессоров, каждый из которых выполняет свою функцию, но только в составе этой машины.

Другой вид классификации – разделение систем на однородные и неоднородные. Разница их в том, что однородная система состоит из процессоров одного типа, а неоднородная, соответственно – из разных типов. Организация однородной системы проще, ведь в ней используются одинаковые программные средства и стандартные протоколы. Построение неоднородной системы предполагает учет различных характеристик разных типов процессоров, из-за чего усложняется построение и обслуживание такой системы.

Один из видов разделения вычислительных систем –это деление на многомашинные и многопроцессорные.

Многомашинная система – это система, состоящая из более чем одного компьютера. В ней у каждого процессора есть своя оперативная память и управление осуществляется своей оперативной системой. Компьютеры могут находиться в одном месте, или размещаться на удалении от друг друга. Минус такой системы в большем количестве времени, потраченного на обмен информацией.

В многопроцессорной системе в одном корпусе заключено несколько процессоров. Для всех процессоров создается общая оперативная память, через которую обеспечивают и доступ к устройствам ввода/вывода, и к внешним устройствам. Управляется вся система одной общей ОС, что улучшает характеристики обмена. Такие системы используют чаще всего, потому что намного проще организовать взаимодействие между процессорами. Но проблема многопроцессорной системы в возможных конфликтных ситуациях при использовании общей RAM.

По методам управления элементами выделяют централизованные, децентрализованные и системы со смешанным управлением.

В централизованных системах есть главный процессор, который отвечает за управление. Он распределяет нагрузку между элементами, выделяет ресурсы, контролирует состояние ресурсов и координирует взаимодействие между элементами.