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

ВВЕДЕНИЕ

Основу современных вычислительных систем составляют электронные вычислительные машины, которые часто в последние годы в соответствии с англоязычными традициями, привившимися в вычислительной технике, называют компьютеры.

Первые электронные вычислительные машины (ЭВМ) появились немногим более полувека назад. За это время микроэлектроника, вычислительная техника и вся индустрия информатики стали одним из основных составляющих мирового научно-технического прогресса. Влияние вычислительной техники на все сферы деятельности человека продолжает распространяться вширь и вглубь. В настоящее время ЭВМ используются не только для выполнения сложных расчетов, но и в управлении производственными процессами в образовании, здравоохранении, экологии и т.д. Это объясняется тем, что современные ЭВМ являются универсальным инструментом, способным обрабатывать информацию, представленную практически в любом виде: числовую, текстовую, табличную, графическую, видео, звуковую. Необходимо обеспечить сигнальную совместимость и разработать последовательность действий – алгоритм.

Архитектурой компьютера считается его представление на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т. д.

Архитектура компьютера, характеризующая его логическую организацию, может быть представлена как множество взаимосвязанных компонент, включающих элементы различной природы: программное обеспечение (software), аппаратное обеспечение (hardware), алгоритмическое обеспечение (brainware), специальное фирменное обеспечение (firmware) – и поддерживающих его слаженное функционирование в форме единого архитектурного ансамбля, позволяющего вести эффективную обработку различных объектов и данных.

Архитектура вычислительной системы определяет основные функциональные возможности системы, сферу применения (научно-техническая, экономическая, управление, и т.д.), режим работы (пакетный, мультипрограммный, диалоговый и т.д.), характеризует параметры ВС (быстродействие, набор и объем памяти, набор периферийных устройств и т.д.), особенности структуры (одно-, многопроцессорная) и т.д.

Цель работы – рассмотреть состав и свойства вычислительных систем.

Предмет работы информационное и математическое обеспечения вычислительных систем.

Объект исследования – архитектура современных вычислительных систем.

---

Задачи:

Рассмотреть понятие и классификация вычислительных систем;

Описать элементы вычислительных систем;

Показать Значение информационного обеспечения;

Изучить математическое и программное обеспечение вычислительных машин.

Структура работы. Работа состоит из введения, основной части, заключения и списка литературы.

ГЛАВА 1. СОСТАВ И СВОЙСТВА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

1.1. Понятие и классификация вычислительных систем

В связи с кризисом классической структуры ЭВМ дальнейшее поступательное развитие вычислительной техники напрямую связано с переходом к параллельным вычислениям, с идеями построения многопроцессорных систем и сетей, появляются огромные возможности совершенствования средств вычислительной техники.

Термин вычислительная система появился в начале – середине 60-х гг. при появлении ЭВМ III поколения.[5]

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.

Параллелизм в вычислениях усложняет управление вычислительным процессом, использование технических и программных ресурсов. Эти функции выполняет операционная система . [10]

Классификация определяется набором признаков, которые характеризуют внутренние параметры объектов классификации. При этом выбираются наиболее важные признаки, определяющие внешние параметры этих объектов.

В том случае, когда объектами классификации являются вычислительные системы (ВС), задача классификации усложняется из-за многообразия областей применения ВС и, следовательно, многообразия видов ВС, поскольку ВС являются специализированными в соответствии с классом решаемых задач.

Однако есть два фактора, которые надо принимать во внимание какие бы виды ВС не рассматривались. Это

-  какие задачи должны решаться с помощью ВС,

---

- какие понадобятся вычислительные средства и как они должны быть взаимосвязаны, чтобы требуемые задачи можно было решить за заданное время (или в другой постановке – определяется время, необходимое для решения требуемых задач на выбранных вычислительных средствах). [15]

Решаемые задачи весьма условно можно разделить по характеру взаимодействия между частями задачи (вычислительными процессами) на: сильно связанные и  с ослабленными связями.

Вычислительные средства, предназначенные для решения отмеченных выше задач, назовем соответственно:

- многопроцессорными вычислительными системами (МПВС),

- многомашинными вычислительными системами (ММВС).

Состав вычислительных средств и связи между этими средствами – это основные классификационные признаки, характеризующие любую техническую структуру, в том числе и ВС, поскольку вычислительная система является технической структурой.

Отметим, что здесь рассматриваются ВС, которые по классификации М. Дж. Флинна относятся к группе «много команд, много данных».

Что касается используемых далее терминов, то среди возможных синонимов выбираются, во-первых, русские, если они есть (например, многомашинные, а не мультикомпьютерные), во-вторых, наиболее простые (например, коммутатор, а не средства коммутации или коммуникационная сеть). 

Рекомендуемые термины далее выделяются курсивом  [1].

Классификация ВС по основным признакам, характеризующим структуру этих технических объектов, приведена в таблице 1. В таблицу включены дополнительные признаки, отражающие особенности организации памяти, передачи данных, управления и конструктивной реализации ВС.

Таблица 1 – Классификация ВС

Признак классификации
	Многопроцессорная ВС	Многомашинная ВС
Состав структуры	CP*, PM, BM, EM, I/O, SW	ВМ (ЭВМ, МПВС), EM, I/O, SW
Вид связи между элементами структуры (вид  коммутатора)	Матричный SW, многоступенчатый SW,  общая шина	Шинные (многошинный SW и др.) или линковые ( SW с регулярными связями и др. )
Организация памяти	Общая память	Распределенная  память
Способ передачи данных	Параллельный (сильная связь)	Параллельно-последовательный (ослабленная связь)
Приемник передаваемых данных	–	Кэш-память или оперативная память
Инициатор передачи данных	–	Процесс-последователь или процесс-предшественник
Операционная система (ОС), управление	Общая, централизованное	Копии ОС и общая надстройка, смешанное
Пространственное размещение элементов структуры	На одной плате или в одном блоке	В одном блоке, в одной стойке и т.д. (в одном  помещении)

---

CP – центральный процессор (не содержит кэш-памяти СМ); PM – процессорный модуль, т.е. CP+СМ, при этом СМ может быть двухуровневой; BM –  оперативная память, которая может состоять из одного или нескольких модулей ММ (2, 4, 8 …);

ММ – модуль оперативной памяти, который представляет собой секционированную память с числом секций, равным числу слов в блоке СМ (обычно 4), ЕМ – внешняя память на магнитных или оптических носителях информации; 

I/O – устройства ввода/вывода; SW – коммутатор, т.е. совокупность средств, обеспечивающих взаимодействие между элементами структуры. В состав SWпомимо ключевых элементов входит устройство управления, выполняющее функции маршрутизации, арбитража и т.п.,  ВМ – вычислительный модуль  (это ЭВМ или МПВС).

Образ единой ВС поддерживается совокупностью как аппаратных, так  и программных средств (операционной системой). Однако приводимая классификация ориентирована главным образом на организацию аппаратных средств.

Схема классификации ВС приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 Классификации ВС

 Под вычислительной системой (ВС) понимают совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для сбора, хранения, обработки и распределения информации. [13] 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.

1.2.Элементы вычислительных систем

Состав вычислительной системы называется конфигурацией. 

Аппаратные и программные средства вычислительной техники принято рассматривать отдельно.

Такой принцип разделения имеет для информатики особое значение, поскольку очень часто решение одних и тех же задач может обеспечиваться как аппаратными, так и программными средствами. Критериями выбора аппаратного или программного решения являются производительность и эффективность. Обычно принято считать, что аппаратные решения в среднем оказываются дороже, зато реализация программных решений требует более высокой квалификации персонала. [10]

---

Аппаратное обеспечение

К аппаратному обеспечению вычислительных систем относятся устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию. Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочно-модульную конструкцию — аппаратную конфигурацию, необходимую для исполнения конкретных видов работ, можно собирать из готовых узлов и блоков.

По способу расположения устройств относительно центрального процессорного устройства (ЦПУ— Central Processing Unit, CPU) различают внутренние и внешние устройства. Внешними, .как правило, являются большинство устройств ввода-вывода данных (их также называют периферийными устройствами) и некоторые устройства, предназначенные для длительного хранения данных.

Согласование между отдельными узлами и блоками выполняют с помощью переходных аппаратно-логических устройств, называемых аппаратными интерфейсами. Стандарты на аппаратные интерфейсы в вычислительной технике называют протоколами. Таким образом, протокол — это совокупность технических условий, которые должны быть обеспечены разработчиками устройств для успешного согласования их работы с другими устройствами. [1]

Программное обеспечение

Программы — это упорядоченные последовательности команд. Конечная цель любой компьютерной программы — управление аппаратными средствами. Даже если на первый взгляд программа никак не взаимодействует с оборудованием, не требует никакого ввода данных с устройств ввода и не осуществляет вывод данных на устройства вывода, все равно ее работа основана на управлении аппаратными устройствами компьютера.

Программное и аппаратное обеспечение в компьютере работают в неразрывной связи и в непрерывном взаимодействии. Несмотря на то что мы рассматриваем эти две категории отдельно, нельзя забывать, что между ними существует диалектическая связь, и раздельное их рассмотрение является по меньшей мере условным. [4]

Состав программного обеспечения вычислительной системы называют программной конфигурацией. Между программами, как и между физическими узлами и блоками существует взаимосвязь — многие программы работают, опираясь на другие программы более низкого уровня, то есть, мы можем говорить о межпрограммном интерфейсе. Возможность существования такого интерфейса тоже основана на существовании технических условий и протоколов взаимодействия, а на практике он обеспечивается распределением программного обеспечения на несколько взаимодействующих между собой уровней. Уровни программного обеспечения представляют собой пирамидальную конструкцию. Каждый следующий уровень опирается на программное обеспечение предшествующих уровней.

---