Файл: Вычислительные системы: состав и свойства.pdf

По режиму работы вычислительные системы различают [^[13]]:

• мультипрограммирование;
• режим реального времени;
• однопрограммный режим работы;
• мультипрограммный режим работы;
• режим пакетной обработки;
• режим коллективного доступа.

Мультипрограммирование – это режим обработки данных, при котором ресурсы вычислительной системы предоставляются каждому процессу из группы процессов обработки данных, находящихся в вычислительной системе, на интервалы времени, длительность и очередность предоставления которых определяется управляющей программой этой системы с целью обеспечения одновременной работы в интерактивном режиме.

Режим реального времени – режим обработки данных, при котором обеспечивается взаимодействие вычислительной системы с внешними по отношению к ней процессами в темпе, соизмеримом со скоростью протекания этих процессов. Этот режим обработки данных широко используется в системах управления и информационно – поисковых системах.

При однопрограммном режиме работы вычислительной системы аппаратные средства ЭВМ совместно с программным обеспечением образуют вычислительную систему. В однопрограммном режиме работы в памяти ЭВМ находится и выполняется только одна программ. Такой режим обычно характерен для микро-ЭВМ и персональных ЭВМ, то есть для ЭВМ индивидуального пользования.

В мультипрограммном (многопрограммном) режиме работы в памяти ЭВМ находится несколько программ, которые выполняются частично или полностью между переходами процессора от одной задачи к другой в зависимости от ситуации, складывающейся в системе.

В мультипрограммном режиме более эффективно используются машинное время и оперативная память. Например, при возникновении каких-либо ситуаций в выполняемой задаче, требующих перехода процессора в режим ожидания, процессор переключается на другую задачу и выполняет ее до тех пор, пока в ней не возникает подобная ситуация. При реализации мультипрограммного режима требуется определять очередность переключения задач и выбирать моменты переключения, чтобы эффективность использования машинного времени и памяти была максимальной.

Мультипрограммный режим обеспечивается аппаратными средствами и средствами операционной системы. Он характерен для сложных ЭВМ, где стоимость машинного времени значительно выше, чем у микро-ЭВМ. Существуют также мультипрограммные операционные системы, позволяющие одновременно следить за решением нескольких задач и повышать эффективность работы пользователя.

В режиме пакетной обработки задачи выстраиваются в одну или несколько очередей и последовательно выбираются для их выполнения.

В режиме коллективного доступа каждый пользователь ставит свою задачу на выполнение в любой момент времени, то есть для каждого пользователя в такой вычислительной системе реализуется режим индивидуального пользования. Это осуществляется обычно с помощью квантования машинного времени, когда каждой задаче, находящейся в оперативной памяти ЭВМ, выделяется квант времени. После окончания кванта времени процессор переключается на другую задачу или продолжает выполнение прерванной в зависимости от ситуации в вычислительной системе. Вычислительные системы, обеспечивающие коллективный доступ пользователей с квантованием машинного времени, называют вычислительные системы с разделением времени.

Наряду с вышеперечисленным многообразием составов, свойств, режимов работ вычислительных систем отдельно следует выделить такие вычислительные системы, как суперкомпьютеры.

Суперкомпьютерами принято называть вычислительные системы огромной производительности, которые состоят из большого количества вычислительных узлов, объединенных в единый ресурс. К примеру, огромного ресурса вычислительных мощностей требует прогноз погоды — как раз для этой цели Гидрометцентр России использует 30-тонный суперкомпьютер с производительностью вычислений 27 терафлоп [^[14]].

Суперкомпьютеры создаются в виде высоко-параллельных многопроцессорных вычислительных систем [^[15]].

Высоко-параллельные многопроцессорные вычислительные системы бывают нескольких разновидностей: магистральные, векторные, матричные, кластерные [^[16]].

Магистральные, также конвейерные – системы с многократным потоком команд и однократным потоком данных (МКОД или MISD – Multiple Instruction Single Data). У них процессор одновременно выполняет разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных.

Векторные – системы с однократным потоком команд с многократным потоком данных (ОКМД или SIMD – Single Instruction Multiple Data), у которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными.

Матричные – системы с многократным потоком команд с многократным потоком данных (МКМД или MIMD – Multiple Instruction Multiple Data), у которых микропроцессор одновременно выполняет разные операции над последовательными потоками обрабатываемых данных.

В суперкомпьютере используются все три варианта архитектуры:

• структура MIMD в классическом ее варианте;
• параллельно-конвейерная модификация, MMISD, то есть многопроцессорная (Multiple) MISD – архитектура;
• параллельно-векторная модификация, MSIMD, то есть многопроцессорная SIMD – архитектура.

Менее производительные вычислительные системы — кластеры, в них функция вычислительных узлов возложена на автономные компьютеры, подключенные к скоростной сети обмена данными. Компьютеры, входящие в кластер, могут находиться в разных помещениях и даже зданиях — всюду, куда можно протянуть сетевой кабель. В кластерных вычислительных системах можно гибко регулировать необходимую производительность системы, подключая с помощью специальных аппаратных и программных интерфейсов обычные серийные серверы до тех пор, пока не будет получен суперкомпьютер требуемой мощности. Многие научно-исследовательские центры и крупные университеты отдают предпочтение именно кластерам, как дешевой альтернативе суперкомпьютерам, используя для этих целей парк своей компьютерной техники.

Важной особенностью кластеров является обеспечение доступа любого сервера к любому блоку как оперативной, так и дисковой памяти. Данная задача решается путем объединения систем SMP – архитектуры на базе автономных серверов для организации общего поля оперативной памяти и использованием дисковых систем RAID для памяти внешней (SMP – Shared Memory multiprocessing, технология мультипроцессирования с разделением памяти).

Достоинствами кластерных суперкомпьютерных систем являются:

• высокая суммарная производительность;
• высокая надежность работы системы;
• наилучшее соотношение производительность/стоимость;
• возможность динамического перераспределения нагрузок между серверами;
• легкое наращивание вычислительной мощности путем подключения дополнительных серверов;
• удобство управления и контроля работы системы.

В свою очередь, среди недостатков кластерных суперкомпьютерных систем можно выделить:

• задержки разработки и принятия общих стандартов;
• большая доля нестандартных и закрытых разработок различных фирм, затрудняющих их совместное использование;
• трудности управления одновременным доступом к файлам;
• сложности с управлением конфигурацией, настройкой, развертыванием, оповещением серверов о сбоях.

Суперкомпьютеры, как системы с огромной вычислительной мощностью в настоящее время незаменимы при численном моделировании, особенно при изучении проблем математики, таких научных исследованиях как ядерная физика, гидродинамика, предсказании природных катаклизмов.

Широкое многообразие вычислительных систем находит их применение абсолютно во всех сферах деятельности человека, облегчает интеллектуальный труд, повышает скорость выполнения сложных операций, которые еще совсем недавно невозможно было выполнять. Это, например, относится к процессу бурения скважин, где принимаются своевременные решения по геонавигации на основе оперативно обработанных данных вычислительными системами в реальном времени, получаемых сигналов с приборов телеметрии и каротажа.

Вычислительные системы незаменимы при управлении предприятием, когда необходимо в кратчайшие сроки обработать сложный массив данных для разработки стратегии развития.

Классификация вычислительных систем нужна для того, чтобы понять особенности работы той или иной системы, но она не является достаточно детальной, чтобы на нее можно было полностью опираться при ее создании. Поэтому необходимо вводить более детальную классификацию, которая связана с различными свойствами вычислительных систем и составом оборудования.

Таким образом, вычислительные системы сочетают в себе достоинства цифровой техники, где процесс вычислений в основном задаётся алгоритмически, и аналоговой техники, где процесс вычислений предопределяется структурными схемами. Структурная универсальность позволяет говорить и о специализированности вычислительных систем. Это когда для каждой задачи допустима автоматическая настройка такой конфигурации из ресурсов вычислительной системы, которая наиболее адекватна алгоритму решения задачи.

Реализация аппаратных средств ЭВМ охватывает обширный круг проблем при постановке задач на этапе построения вычислительных систем. Учитывается множество факторов при их разработке, таких как сфера применения, универсальность, возможность наращивания, удаленность компонентов и пользователей систем, функциональность использования и удобство эксплуатации для конечного пользователя. Помимо аппаратного, при функционировании вычислительной системы, выделяют информационное и математическое обеспечения, которые мы подробно рассмотрим во второй главе.

Глава 2 Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем

2.1 Информационное обеспечение вычислительных систем

Под информационным обеспечением понимают совокупность программ и предварительно подготовленных данных, необходимых для работы данных программ, включающее массивы данных, средства их описания, сбора, хранения и выдачи [^[17]].

Информационное обеспечение должно быть достаточным для выполнения всех функций системы, допускать возможность модернизации и развития вычислительной системы.

Главным атрибутом данного обеспечения является информация, которая заранее закодирована в вспомогательных программах. Пример информационного обеспечения – современная система машинного текстового перевода Google Translate. Особенностью переводчика является метод перевода, который основан на поиске соответствий языка между переводимым текстом и гигантским массивом сервиса, который состоит из слов, вносимых пользователем ранее во время их перевода. В настоящий момент известно, что Google Translate обладает более чем триллионом слов [^[18]]. Также можно привести другие примеры, такие как системы распознавания речи и команд Siri от Apple, Алиса от Яндекса.

В вычислительных системах, данные хранятся в виде машинного кода, который состоит из последовательности нулей и единиц. Пользователь непосредственно не работает с такого рода данными. Для него они интерпретируются в более понятный «человеческий» вид. Вне вычислительных систем данные хранятся в виде документов на бумаге, схем, графиков и т.д.

По составу информационное обеспечение вычислительных систем подразделяется на внешнемашинное и внутримашинное.

Внемашинное информационное обеспечение – комплекс средств, обеспечивающих общение пользователей с системой. Основными элементами внемашинного информационного обеспечения являются системы кодирования данных и языковые средства общения.

Кодирование информации – это процесс формирования определенного представления информации. Под термином «кодирование» часто понимают переход от одной формы представления информации к другой, более удобной для хранения, передачи и обработки. Длина кода – это количество знаков, которое используется для представления кодируемого символа [^[19]].