Файл: Состав и свойство вычислительных систем.pdf

Еще одни примером таких систем являются кластеры. Модули памяти в них распределены по всей системе и закреплены за отдельными процессорами. Добавление компьютеров в кластер позволяет увеличивать пропускную способность памяти и наращивать производительность. Кластер представляет собой набор из нескольких ЭВМ, соединенных через некоторую инфраструктуру.

Таким образом, мы рассмотрели основные типы архитектур вычислительных систем. Опираясь на принципы построения, вычислительные системы имеют определенные свойства.

1.3 Свойства вычислительных систем

Фундаментальные принципы (параллелизма, программируемости, однородности) и принципы модульности и близкодействия позволяют достичь полноты архитектурных свойств в вычислительных системах. Архитектуры ВС имеют следующие свойства.

1. Масштабируемость (Scalability) вычислительных систем.

Предполагает способность ВС наращивать и сокращать ресурсы, возможность варьирования производительности. Трудоемкость задач для вычислительных систем увеличивается. Данное свойство обеспечивает результативность решения задач вычислительной системой. Таким образом, производительность, достигнутую ВС на заданном количестве вычислителей, можно увеличить, добавив еще один или несколько вычислителей. Выполнение этого свойства ВС гарантируется принципами модульности, локальности, децентрализованности и распределённости. [3]

2. Свойство наращиваемости производительности обеспечивает возможность решать задачи любой сложности. Алгоритм решения задачи должен удовлетворять условию локальности, а межмодульные пересылки информации имели слабое влияние на продолжительность решения задачи. Это может быть достигнуто за счет крупноблочного распараллеливания сложных задач и (или) аппаратурных средств, позволяющих совместить межмодульные обмены информацией с вычислениями.

3. Универсальность ВС. Вычислительные системы алгоритмически и структурно универсальны.

Алгоритмическая универсальность подразумевает способность реализовать алгоритм решения поставленной задачи без изменения своих структур. Так как, вычислительная система состоит из элементов (вычислителей), каждый из которых алгоритмически универсален, следовательно, и вся система универсальная.

Структурная универсальность системы является результатом воплощения архитектурных принципов совокупности вычислителей, в том числе, принципа программируемости структуры. Данный принцип заключается в возможности автоматически (программно) порождать специализированные (проблемно-ориентированные) виртуальные конфигурации, адекватные структурам и параметрам решаемых задач. Таким образом, вычислительная система – это средство, в котором диалектически сочетаются противоположные свойства универсальности и специализированности. [9]

4. Производительность вычислительных систем

В отличие от ЭВМ, построенных на основе модели вычислителя, ВС не имеют принципиальных ограничений в наращивании производительности. Повышение производительности в ВС, благодаря свойству однородности, осуществляется подключением дополнительных вычислений без конструктивных изменений первоначального состава системы. В этом случае достигается простота настройки программного обеспечения на необходимое количество вычислителей в системе, на основании которых обеспечивается совместимость ВС различной производительности. [3, 5]

5. Реконфигурируемость вычислительных систем

Структурная и функциональная гибкости ВС вытекают из широких возможностей систем по статической и динамической реконфигурации. Статическая реконфигурация ВС достигается: варьированием числа и структуры вычислителей; выбором для вычислителей числа полюсов для связи c другими вычислителями; возможностью построения структур в виде графов, относящихся к различным классам и т.п.

Динамическая реконфигурация ВС обеспечивается возможностью образования в системах таких подсистем, структуры и функциональные организации которых адекватны входной мультипрограммной ситуации и структурам решаемых задач. Таким образом, способность ВС к динамической реконфигурации приводит к её высокой универсальности и производительности в процессе решения широкого круга задач, реализуются известные в вычислительной технике режимы функционирования (коллективное пользование, пакетная обработка и др.), способы управления вычислительным процессом, структурные схемы и способы обработки информации (конвейерный, матричный, распределённый и др.). [11]

Из проведенного исследования следует, что свойства вычислительных систем определяют их значение в применении ВС для решения определенных задач и функций. В зависимости от области применения ВС выбирают определенной архитектуры.

2. Структура и проблемы построения вычислительных систем

2.1 Состав вычислительных систем

Состав вычислительной системы называется конфигурацией. Различают аппаратную и программную конфигурации, которые, как правило, рассматривают отдельно. Такой принцип разделения имеет принципиальное значение, так как довольно часто одни и те же задачи могут быть решены как аппаратными, так и программными средствами. Критериями выбора аппаратного или программного обеспечения являются производительность и эффективность. Состав вычислительной системы представлен на рисунке 5. [5]

Рис. 5 - Состав вычислительной системы

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 различают внутренние и внешние устройства. Внешними, как правило, являются большинство устройств ввода-вывода данных (периферийные устройства) и некоторые устройства, предназначенные для длительного хранения данных. [2]

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.

В архитектуре ВС присутствуют интерфейсы, которые бывают последовательными и параллельными. Через последовательный интерфейс данные передаются последовательно, бит за битом, а через параллельный — одновременно группами битов. Количество битов в одной передаче определяется разрядностью интерфейса, так, восьмиразрядные параллельные интерфейсы передают за цикл один байт (8 бит).

Параллельные интерфейсы имеют более сложное устройство, однако они и обеспечивают более высокую производительность. Такие интерфейсы используют при решении задач, при которых важна скорость передачи данных: для подключения печатающих устройств, устройств ввода графической информации, устройств записи данных на внешний носитель и т. п. Производительность параллельных интерфейсов измеряют байтами в секунду (байт/с; Кбайт/с; Мбайт/с), а последовательных - битами в секунду (бит/с, Кбит/с, Мбит/с). [1]

Программное обеспечение, или программы — это упорядоченные последовательности команд. Конечная цель любой компьютерной программы — управление аппаратными средствами. Программное и аппаратное обеспечение в компьютере работают в неразрывной связи и в непрерывном взаимодействии.

Большинство программ функционируют на основании других программ более низкого уровня. В данном случае речь идет о межпрограммном интерфейсе. Его работа основана на существовании технических условий и протоколов взаимодействия. Таким образом, все программы делятся на несколько взаимодействующих уровней. Более высокий уровень повышает функциональность всей системы. Согласно данному принципу, программа базового уровня имеет ограниченный функционал, но она позволяет установить системное программное обеспечение. [6]

Базовое программное обеспечение отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Такие программы непосредственно входят в состав базового оборудования и хранятся в специальных микросхемах - постоянные запоминающие устройства (ПЗУ). Программы и данные записываются в микросхемы ПЗУ на этапе производства и не могут быть изменены в процессе эксплуатации. Когда изменение базовых программных средств во время эксплуатации является технически целесообразным, вместо микросхем ПЗУ применяют перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ).

Программы системного уровня обеспечивают взаимодействие прочих программ компьютерной системы с программами базового уровня и непосредственно с аппаратным обеспечением, то есть выполняют «посреднические» функции.

Программное обеспечение данного уровня определяет эксплуатационные показатели ВС. При подключении к ВС нового устройства необходимо установить программу системного уровня, которая будет обеспечивать взаимосвязь других программ с этим оборудованием (драйверы устройств). [3]

Еще одним классом программ системного уровня являются программы обеспечения пользовательского интерфейса. Они позволяют пользователю вводить необходимые данные в систему, управлять работой ВС и получать результаты решения задач в необходимой форме. Программы системного уровня составляют ядро операционной системы компьютера.

Так, работа программного обеспечения служебного уровня опирается на работу программ базового и системного уровней. Служебные программы предназначены для автоматизации проверки и настройки вычислительной системы. Применение служебных программ осуществляется в следующих направлениях: интеграция с ОС и автономное функционирование.

ПО прикладного уровня - комплекс программ, позволяющих решать конкретные задачи на рабочем месте. Круг решаемых задач программами данного уровня достаточно широк и включает в себя как производственные задачи, так и развлекательные, обучающие и другие. [2]

Базируясь на вышесказанном следует отметить, что взаимосвязь прикладных и системных программ определяет универсальность вычислительной системы, доступность и функциональность прикладного программного обеспечения, что находится в прямой зависимости от типа используемой ОС, системных средств, а также от способа обеспечения взаимодействия человека с оборудованием через ПО. Кроме этого, вычислительную систему определяют как программное и аппаратное обеспечение, так и информационная составляющая.

2.2 Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем

В некоторых случаях, кроме аппаратного и программного обеспечения вычислительных систем целесообразно выделять информационное обеспечение. К нему относят программы и подготовленные данные (информационный массив), требуемые для функционирования этих программ.

Так, система автоматической проверки орфографии в текстовом документе основана на сравнении лексических единиц текста с предварительно загруженным массивом данных, в данном случае - словарем.

Таким образом, эффективная работа вычислительной системы требует кроме аппаратного и программного обеспечения ещё и дополнительно подключаемые специальные наборы словарей.

В вычислительных системах узкоспециализированных для отдельных областей (бортовых компьютерах автомобилей, судов, самолетов и т. п.) комплекс программного и информационного обеспечения называют математическим обеспечением. Такое обеспечение записывается в микросхемы ПЗУ, изменения в которое могут быть внесены только посредством замены или перепрограммирования ПЗУ на программаторах. [9]

Математическое обеспечение вычислительных систем - совокупность программ и программных комплексов, посредством которых происходит преобразование алгоритмов программы пользователя, записанных на алгоритмических языках высокого уровня, в последовательность команд, понимаемых электроникой ЭВМ, организуется автоматическое прохождение задач пользователей на ЭВМ, обеспечивается эффективное использование оборудования ЭВМ.

Появление математического обеспечения было вызвано необходимостью повышения производительности труда программистов и специалистов, эксплуатирующих ЭВМ. Действительно, команды вычислительной машины представляют собой с точки зрения возможности записи алгоритма весьма элементарные операции, и запись алгоритма (программирование) в виде последовательности этих команд является трудоемкой работой. Это стимулировало создание средств автоматизации программирования. Происходило укрупнение операций, понимаемых электроникой машины, но это не решило проблемы. Даже у современных ЭВМ команды, как правило, представляют собой элементарные операции. Существенно больший успех был достигнут на пути создания программных средств, облегчающих программирование. Первым шагом было создание математического обеспечения, позволяющего программировать на автокоде. Программа на автокоде фактически представляет собой ту же последовательность команд ЭВМ, но записанных символическими обозначениями - в мнемоническом виде. Преобразование мнемонического кода программы в команды машины осуществляют специальные программы - ассемблеры. Затем появились макроассемблеры, которые дали возможность использовать в текстах программ макрооператоры, обеспечивающие выполнение группы команд машины. [2]