Файл: Вычислительные системы: состав и свойства.pdf

ВВЕДЕНИЕ

Современное общество живёт в век информации. Умение качественно управлять информационными ресурсами – одно из важнейших направлений деятельности человека. В настоящий момент идёт бурное развитие систем управления информацией. Управление информацией строится на основе вычислительных систем с использованием всевозможных сетей, телекоммуникаций, облачных решений. В свою очередь, вычислительная система состоит из двух основных компонентов – аппаратного (электронные и механические части) и программного обеспечения (программы, процедуры, правила и документация системы обработки информации).

Очевидно, формальное отличие вычислительных систем от других типов вычислительной техники выражается в количестве вычислителей. Множественность вычислителей позволяет реализовывать в вычислительных системах параллельную обработку данных. С другой стороны некоторые современные устройства с одним процессором также обладают средствами распараллеливания вычислительного процесса. Например, часто различие электронных вычислительных машин (ЭВМ) от вычислительных систем часто бывает расплывчатым, что позволяет в ряде случаев рассматривать ЭВМ как одну из реализаций вычислительной системы. Вычислительные системы часто строятся из традиционных ЭВМ, в связи с чем многие из положений, относящиеся к вычислительным машинам, могут быть распространены и на вычислительные системы.

Указанное обстоятельство было учтено при написании данной работы, которая состоит их двух глав.

В первой главе рассматривается аппаратная часть, состав вычислительных систем, описываются виды ЭВМ и компьютеров. Анализируются типы построения, преимущества и недостатки различных конфигураций вычислительных систем перед другими разновидностями вычислительной техники, их свойства и цели создания.

Вторая глава посвящена таким важным составляющим вычислительной системы, как информационное и математическое обеспечения, без которых не будет работать ни одна система. Описываются атрибуты и рассмотрен состав информационного обеспечения, системы кодирования информации, базы и банки данных, организация файлов и файловые системы.

При рассмотрении математического обеспечения особенно выделены программные средства (обеспечения), как основная часть математического обеспечения. Детально изучены уровни программного обеспечения и классификации. Так как все программное обеспечение разработано на языках программирования, в данной главе уделено внимание основным из них.

Глава 1 Состав и свойства вычислительных систем

1.1 Электронные вычислительные машины и компьютеры

Электронные вычислительные машины (ЭВМ) – комплекс технических средств, где основные функциональные элементы (логические, запоминающие, индикационные и др.) выполнены на электронных компонентах, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач [^[1]]. Критерием деления вычислительных машин является форма представления информации, с которой они работают.

По принципу действия ЭВМ классифицируются на аналоговые, цифровые и гибридные [^[2]].

В аналоговых вычислительных машинах (АВМ) обрабатываемая информация представляется в непрерывной форме в виде значений некоторой аналоговой физической величины, например, напряжения. Такие машины отличаются высоким быстродействием, однако имеют низкую точность вычислений. Поэтому используются редко и только для решения специализированных задач.

Цифровые вычислительные машины (ЦВМ) обрабатывают информацию, представленную дискретными данными – числами.

Гибридные вычислительные машины работают с информацией, представленной как в цифровой, так и в аналоговой форме. Они совмещают в себе достоинства ЦВМ и АВМ.

По размерам вычислительной мощности ЭВМ разделяют на четыре типа: сверхбольшие, большие, средние, микро-ЭВМ [^[3]].

Сверхбольшие (суперкомпьютеры и суперЭВМ) – это самые мощные вычислительные системы, которые служат для решения задач, требующие огромного объема сложных вычислений, обработки большого количества данных в реальном времени.

Большие (мэйнфреймы) – применяются для целочисленных операций, требовательных к скорости обмена данными, к надежности и способности одновременной обработки транзакций (системы онлайн бронирования, банковские системы).

Средние (мини ЭВМ) – отличаются надежностью, дешевизной и удобством в эксплуатации. Такие ЭВМ обладают более низкими по сравнению с мини ЭВМ возможностями. Они используются для управления технологическими процессами.

Микро-ЭВМ – это наиболее многочисленный и разнообразный вид ЭВМ.

Среди них выделяют:

• микроконтроллеры – микро-ЭВМ, выполненные в виде одной микросхемы. Применяются для автоматизации не сложных электронных устройств;
• рабочие станции – абонентские пункты, ориентированные на работу профессиональных пользователей с сетевыми ресурсами;
• серверы — это вычислительные машины и системы, управляющие определенным видом ресурсов сети (файл-серверы, серверы приложений, факс-серверы, почтовые, коммуникационные, Web-серверы).

ЭВМ используется как один из способов реализации компьютера. На английском слово computer произошло от слова compute – считать, вычислять.

Компьютер – это устройство или система, способное выполнять заданную, чётко определённую изменяемую последовательность операций [^[4]]. Прибор, предназначенный для автоматизации создания, хранения, обработки и транспортировки данных [^[5]].

Персональные компьютеры (ПК) относятся к классу микрокомпьютеров, но массово более распространены. Персональный компьютер универсален и обладает такими качествами как: малая стоимость, автономность эксплуатации, гибкость архитектуры, дружественность операционной системы и различного программного обеспечения.

Основными блоками компьютера являются: материнская (системная) плата, процессор, системная шина, основная память, внешняя память, источник питания, таймер, внешние устройства [^[6]].

Системная плата – основной аппаратный компонент компьютера, где реализована магистраль обмена информацией.

Процессор – основной вычислительный блок компьютера, который содержит важнейшие функциональные устройства:

• устройство управления с интерфейсом процессора (системой сопряжения и связи процессора с другими узлами машины);
• арифметико-логическое устройство (АЛУ);
• процессорную память.

Системная шина – основная интерфейсная система компьютера, соединяющая все его устройства между собой.

Основная память – предназначена для хранения и оперативного обмена информацией между различными блоками машины. Состоит из двух запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

ПЗУ – предназначено для хранения неизменяемой (постоянной) программной информации. Позволяет оперативно только считывать информацию, хранящуюся в нем (изменить информацию в ПЗУ нельзя);

ОЗУ – предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемым ПК в текущий период времени.

Внешняя память – используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. Внешняя память может быть представлена разнообразными видами запоминающих устройств: накопители на магнитных дисках (НМД), на оптических дисках (НОД), на флэш – дисках, твердотельных накопителях (англ. Solid-state drive, SSD) — компьютерное немеханическое запоминающее устройство на основе микросхем памяти.

Источник питания – блок, содержащий системы автономного и сетевого электропитания ПК.

Таймер – системные электронные часы реального времени, обеспечивающие, при необходимости, автоматический съем текущего момента времени.

Внешние устройства – обеспечивают взаимодействие компьютера с окружающей средой, то есть пользователями, объектами управления, другими машинами. В состав внешних устройств обязательно входят устройства ввода – вывода. Конструктивно персональный компьютер выполнен в виде центрального системного блока, к которому через разъемы подключаются внешние устройства: дополнительная память, клавиатура, дисплей, принтер и множество других устройств.

Системный блок обычно включает в себя системную плату, блок питания, накопители на дисках, либо твердотельные накопители, разъемы для дополнительных устройств и плат расширения с контроллерами или адаптерами внешних устройств.

На системной плате размещаются:

• микропроцессор;
• системные микросхемы (чипсеты);
• генератор тактовых импульсов;
• модули (микросхемы) ОЗУ и ПЗУ;
• адаптеры клавиатуры, НЖМД, НГМД;
• таймер и др.

Также распространены компьютеры – моноблоки.

Моноблок – это компьютер, собранный в одном корпусе с монитором. В настоящее время, когда используются большие плоские ЖК-панели, моноблок внешне очень похож на монитор, но имеет больше органов управления [^[7]].

В современном обществе, термин «ЭВМ», как относящийся больше к вопросам конкретной физической реализации компьютера, почти вытеснен из бытового употребления и в основном используется инженерами цифровой электроники, как правовой в юридических документах, иногда в историческом смысле – для обозначения компьютерной техники 1980-х годов и больших вычислительных устройств, в отличие от персональных. Иногда, под «ЭВМ» подразумевают синоним компьютера, но в деталях это не совсем так, потому что ЭВМ — это устройство, собранное на электронных компонентах, а компьютеры могут быть устроены на механических, биологических, квантовых принципах.

1.2 Вычислительные системы

Термин вычислительная система появился в начале – середине 60-х годов при появлении ЭВМ третьего поколения. Это время знаменовалось переходом на новую элементную базу – интегральные схемы. 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 [^[8]].

С 2011 года развитие вычислительных систем связано с шестым поколением техники, которое подразумевает электронные и оптоэлектронные многоядерные компьютеры с массовым параллелизмом, нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем, распознающие сложные образы [^[9]].

Под вычислительной системой понимают совокупность аппаратно-программных средств, образующих единую среду, предназначенную для решения задач обработки информации (вычислений) [^[10]].

Отличительной особенностью вычислительных систем по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку данных.

Создание вычислительных систем преследует следующие основные цели: повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных, повышение надежности и достоверности вычислений, обеспечение автоматической обработки данных по заданной программе.

Параллелизм в вычислениях в значительной степени усложняет управление вычислительным процессом, использование технических и программных ресурсов. Эти функции выполняет операционная система вычислительной системы, которая представляет собой комплекс системных и управляющих программ, предназначенных для наиболее эффективного использования всех ресурсов вычислительной системы.

1.3 Классификация вычислительных систем

В процессе создания вычислительных систем вместо независимой разработки аппаратного и программного обеспечения проектируют системы, состоящие из совокупности аппаратных и программных средств с концепцией их взаимодействия, что и определяет их состав (Рис. 1.1).