Файл: Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем (Понятие вычислительной системы).pdf

Введение

Что такое вычислительная система

Для того чтобы лучше понять предмет состава и свойств вычислительных систем, а также их математическое и информационное обеспечение, необходимо для начала прояснить, чем именно являются вычислительные системы, и кратко описать историю их развития.

Вычислительная система – это совокупность аппаратно-программных средств, образующих единую среду, предназначенную для решения задач обработки информации (вычислений). Изначально вычислительные системы создавались на основе однопроцессорных ЭВМ с целью увеличения их быстродействия. В первых ЭВМ процессоры сами управляли операциями ввода-вывода. Однако скорость работы внешнего устройства значительно меньше скорости работы процессора, поэтому во время операций ввода-вывода процессор фактически простаивал. Чтобы сбалансировать их работу, в конце 1950-х - начале 1960-х годов ЭВМ начали комплектовать независимыми процессорами ввода-вывода для параллельного выполнения вычислений и операций обмена данными, тогда и появился термин «вычислительная система». Основные преимуществами вычислительных систем по сравнению с однопроцессорной ЭВМ являются: значительное повышение производительности за счёт статического или динамического распараллеливания процесса решения задачи; увеличение эффективности использования оборудования за счёт более полной его загрузки; повышение надёжности системы и др.

Постоянное увеличение степени интеграции и быстродействия элементов современных микропроцессоров, высокий уровень их надёжности и относительная дешевизна позволяют строить вычислительные системы путём объединения необходимого числа микропроцессоров и организации параллельной обработки данных. Параллелизм в вычислениях в значительной степени усложнил управление вычислительным процессом, а также распределение аппаратных и программных ресурсов. Поэтому важная роль в вычислительных системах стала отводиться операционной системе, выполняющей функции планирования вычислительного процесса и распределения ресурсов (оперативной и внешней памяти, процессоров, периферийного оборудования и др.), а также оптимизирующим компиляторам с языков высокого уровня, позволяющим в наибольшей степени использовать архитектурные особенности микропроцессоров. Большую роль в достижении высокой эффективности работы вычислительных систем играет система коммутации, связывающая процессоры между собой или с модулями оперативной памяти. Как правило, для этого применяют общую шину, с которой соединены процессоры и модули памяти. В вычислительных системах, состоящих из нескольких процессоров, обычно используют матричные коммутаторы, а также топологию связи - кольцо, звезда и др.

---

Современные вычислительные системы сильно отличаются друг от друга своими возможностями и характеристиками, и этим обусловлено разнообразие признаков, по которым классифицируют вычислительные системы (например, по типам и числу ЭВМ или процессоров, архитектуре системы, режимам работы, методам управления элементами системы). Так, вычислительные системы бывают разделимые (включающие несколько ЭВМ, которые способны работать независимо друг от друга) и неразделимые (или многопроцессорные, состоящие из процессоров, каждый из которых может выполнять свои функции только в составе вычислительных систем). Одним из видов неразделимых вычислительных систем являются кластеры, состоящие из нескольких связанных между собой ЭВМ, которые находятся в едином корпусе или соединены скоростным каналом связи.

Вычислительные системы делят также на однородные и неоднородные. Однородная вычислительная система строится на базе однотипных процессоров или ЭВМ, а неоднородная состоит из ЭВМ или процессоров различных типов. Выделяют многомашинные и многопроцессорные вычислительные системы. В многомашинных вычислительных системах каждый из процессоров имеет свою локальную оперативную память и работает, как правило, под управлением своей операционной системы, а в многопроцессорных вычислительных системах процессоры работают с общей оперативной памятью под управлением единой операционной системы.

Если в состав вычислительных систем кроме цифровых вычислительных машин входят аналоговые вычислительные машины, то она относится к гибридным вычислительным системам. Эти вычислительные системы обычно используются при моделировании сложных систем, динамических процессов и др., например, при разработке геолого-технологических моделей нефтяных и газовых месторождений, систем управления полётом самолёта.

Как итог, существует большое количество признаков, по которым классифицируют вычислительные системы: 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 вычислительной системы и др. Однако основными из них являются признаки структурной и функциональной организации вычислительной системы. Вот примерно их список:

1. По назначению (универсальные и специализированные).
2. По типу (многомашинные и многопроцессорные ВС).
3. По типу ЭВМ или процессоров (однородные и неоднородные системы).
4. По степени территориальной разобщенности (совмещенного и распределенного типов.
5. По методам управления (централизованные, децентрализованные и со смешанным управлением).
6. По режиму работы ВС (системы, работающие в оперативном и неоперативном временных режимах).

---

Состав и свойства вычислительных систем

Состав вычислительной системы называется конфигурацией. Аппаратные и программные средства вычислительной техники принято рассматривать отдельно. Соответственно, отдельно рассматривают аппаратную конфигурацию вычислительных систем и их программную конфигурацию. 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 является производительность и эффективность. Обычно принято считать, что аппаратные решения в среднем оказываются дороже, зато реализация программных решений требует более высокой квалификации персонала.

Аппаратное обеспечение вычислительных систем

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.

Наглядным примером аппаратного обеспечения вычислительной системы является конфигурация персонального компьютера (Рис.1). Персональный компьютер – универсальная техническая система, его конфигурацию можно гибко изменять по мере необходимости. Однако рассмотрим мы вариант стандартной конфигурации. В настоящее время в базовую конфигурацию входят четыре устройства:

---

• системный блок;
• монитор;
• клавиатура;
• мышь.

Рис. 1

• 1. Системный блок (Рис. 2)

Рис. 2

Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними. Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными.

По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса. Корпуса персональных компьютеров выпускают в горизонтальном и вертикальном исполнении. Они поставляются вместе с блоком питания, и таким образом, мощность блока питания также является одним из параметров корпуса.

Материнская плата (Рис. 3)

Рис. 3

Материнская плата – основная плата персонального компьютера. На ней размещаются:

1. процессор – основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций;
2. микропроцессорный комплект (чипсет) – набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы;
3. шины – наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;
4. ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) – набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен.
5. ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) – микросхема, предназначенная для длительного хранения данных, в том числе и когда компьютер выключен;
6. разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты).

Процессор (Рис. 4)

Рис. 4

Процессор – основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления.

Основными параметрами процессоров являются:

1. Рабочая тактовая частота, определяющая количество элементарных операций (тактов), выполняемых процессором за единицу времени. Тактовая частота современных процессоров измеряется в ГГц (1 Гц соответствует выполнению одной операции за одну секунду). Чем больше тактовая частота, тем больше команд может выполнить процессор, и тем больше его производительность.
2. Разрядность, которая показывает, сколько бит данных процессор может принять и обработать в своих регистрах за один такт. Разрядность процессора определяется разрядностью командной шины, то есть количеством проводников в шине, по которой передаются команды.
3. Рабочее напряжение обеспечивается материнской платой, поэтому разным маркам процессоров отвечают разные материнские платы. Рабочее напряжение процессоров не превышает 3 В. Снижение рабочего напряжения позволяет уменьшить размеры процессоров, а также уменьшить тепловыделение в процессоре, что дает возможность увеличить его производительность без угрозы перегрева.
4. Коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты – это коэффициент, на который умножается тактовая частота материнской платы, для достижения частоты процессора. Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая из чисто физических причин не может работать на таких высоких частотах, как процессор.
5. Размер кэш-памяти. Обмен данными внутри процессора происходит намного быстрее, чем обмен данными между процессором и оперативной памятью. Поэтому, для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают так называемую сверхоперативную или кэш-память. Когда процессору нужны данные, он сначала обращается к кэш-памяти, и только тогда, когда там отсутствуют нужные данные, происходит обращение к оперативной памяти.

---

Шины

С другими устройствами процессор связан группами проводников, которые называются шинами. Всего основных шин существует три:

1. Шина данных – по ней происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и наоборот.
2. Адресная шина – данные, которые передаются по этой шине, трактуются как адреса ячеек оперативной памяти. Именно из этой шины процессор считывает адреса команд, которые необходимо выполнить, а также данные, с которыми оперируют команды.
3. Командная шина – по этой шине из оперативной памяти поступают команды, выполняемые процессором. Команды представлены в виде байтов. Простые команды вкладываются в один байт, но есть и такие команды, для которых нужно два, три и больше байта.

Шины на материнской плате используются не только для связи с процессором. Все другие внутренние устройства материнской платы, а также устройства, которые подключаются к ней, взаимодействуют между собой с помощью шин.

Внутренняя память

Под внутренней памятью понимают все виды запоминающих устройств, расположенные на материнской плате. К ним относятся:

1. оперативная память (RAM) – это массив кристаллических ячеек, способных сохранять данные. Она используется для оперативного обмена информацией между процессором, внешней памятью и периферийными системами. Из нее процессор берет программы и данные для обработки, в нее записываются полученные результаты. Название «оперативная» происходит оттого, что эта память работает очень быстро и процессору не нужно ждать при считывании и записи данных. Однако данные в ней сохраняются лишь временно при включенном компьютере.
2. постоянная память (ROM) – в момент включения компьютера в его оперативной памяти отсутствуют любые данные, поскольку оперативная память не может сохранять данные при отключенном компьютере. Но процессору необходимы команды, в том числе и сразу после включения. Поэтому процессор обращается по специальному стартовому адресу, который ему всегда известен, за своей первой командой. Этот адрес указывает на память, которую принято называть постоянной памятью ROM или постоянным запоминающим устройством (ПЗУ). Микросхема ПЗУ способна продолжительное время сохранять информацию, даже при отключенном компьютере. Программы, находящиеся в ПЗУ, записываются туда на этапе изготовления микросхемы. Комплект программ, находящийся в ПЗУ образовывает базовую систему ввода/вывода BIOS (Basic Input Output System). Основное назначение этих программ состоит в том, чтобы проверить состав и трудоспособность системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жесткими и гибкими дисками.
3. энергонезависимая память (CMOS) – для своей работы программы BIOS требуют всю информацию о текущей конфигурации системы. Эту информацию нельзя сохранять в оперативной или постоянной памяти. Специально для этих целей на материнской плате есть микросхема энергонезависимой памяти, которая называется CMOS. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не исчезает при отключении компьютера, а от постоянной – тем, что данные можно заносить туда и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы. Микросхема памяти CMOS постоянно питается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате. Таким образом, программы BIOS считывают данные о составе компьютерной системы из микросхемы CMOS, после чего они могут осуществлять обращение к жесткому диску и другим устройствам.

---