Файл: Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем (Термин «Вычислительная система» и основные понятия).pdf

ВВЕДЕНИЕ

Вычислительная система представляет собой объединение программных и аппаратных средств, которые предоставляют услуги пользователю.

Актуальность данной работы состоит в том, что, работая на компьютере, мы взаимодействуем не с аппаратной реализацией, а с программным обеспечением. Поэтому возникает необходимость в понимании состава, свойств вычислительных систем и информационного и математического обеспечения вычислительных систем

Цель курсовой работы: Изучение состава и свойств вычислительных систем, а также информационного и математического обеспечения вычислительных систем.

Задачи курсовой работы:

1. Ознакомиться с термином «вычислительная система» и с основными понятиями, используемыми в вычислительных системах.

2. Рассмотреть состав и свойства вычислительных систем

3. Изучить информационное и математическое обеспечения вычислительных систем

1. ТЕРМИН «ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА» И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Основным направлением совершенствования электронно-вычислительных машин (ЭВМ) является рост производительности, быстродействия и интеллектуальности вычислительных средств. Наиболее перспективное и динамичное направление ускорения решения прикладных задач - широкое практическое применение идей параллелизма в работу вычислительных систем (ВС).

Дальнейшее развитие вычислительной техники связывают с переходом к параллельным вычислениям, а также с идеями построения многопроцессорных систем и сетей, которые объединяют большое количество отдельных процессоров и ЭВМ.

Термин вычислительная система был введен в начале 60-х гг., когда появились ЭВМ III поколения. Это время перехода на новую элементную базу - интегральные схемы. Следствие этого - появление новых технических решений:

а) разделение процессов обработки информации и ввода-вывода информации,

б) множественный доступ

в) возможность коллективного использования вычислительных ресурсов в пространстве и во времени.

Также появились сложные режимы работы ЭВМ - многопользовательская и многопрограммная обработка. С учетом этих новшеств и появился термин “вычислительная система”, возможность построения параллельных ветвей в вычислениях, что не было ранее предусмотрено классической структурой ЭВМ.

Создание ВС преследовало следующие цели:

а) За счет ускорения обработки данных повысить производительность системы,

б) повысить надежность и достоверность вычислений,

в) предоставить пользователям дополнительные сервисные услуги и т.д.

Наличие нескольких вычислителей в системе предоставляет возможность новым способом решать проблемы надежности, достоверности результатов обработки, резервирования, централизации хранения и обработки данных, децентрализации управления и т.д.

Основные принципы построения, закладываемые при создании ВС:

· возможность работать в разных режимах;

· модульность структуры технических и программных средств, что дает возможность для совершенствования и модернизации вычислительных систем без коренных изменений;

· унификация и стандартизация технических и программных решений;

· иерархия в организации управления процессами;

· способность систем к адаптации, самонастройке и самоорганизации;

· обеспечение необходимым сервисом пользователей при выполнении вычислений.

Основные понятия, с которым необходимо ознакомиться в процессе изучения вычислительной системы:

Вычислительная система — это комплекс взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенных для решения задач пользователя. Отличительная особенность ВС относительно ЭВМ - наличие в них нескольких вычислителей, которые способствуют реализации параллельной обработки.

Структура ВС — это комплекс элементов и их связей. Отдельные ЭВМ и процессоры выступают как элементов ВС. В ВС, относящихся к классу больших систем, возможно рассматривать структуры технических, программных средств, структуры управления и т.д.

Основные определения, используемые в ВС, — это ЭВМ, центральный процессор (ЦП), программное обеспечение (ПО), канал ввода-вывода, устройство управления внешними устройствами (УУВУ) и периферийные устройства.

Сейчас под словом ЭВМ обычно подразумевают цифровые электронные машины, назначение которых заключается в автоматизации процесса обработки информации. ЭВМ часто называют компьютером. Термин «компьютер» означает вычислитель - устройство для вычислений. Это сопряжено с тем, что изначально ЭВМ были созданы исключительно для вычислений, они должны были заменить механические вычислительные устройства (арифмометры). Современные ЭВМ делятся на основные классы: суперЭВМ, миниЭВМ, микроЭВМ.

ЦП обеспечивает непосредственное изменение данных по заданной программе и управляет взаимосвязью всех устройств ЭВМ. В составе ЦП - центральное устройство управления, арифметико-логическое (операционное) устройство (АЛУ), внутренняя память процессора (регистровая, сверхоперативная, кэш-память).

ПО - комплекс программ, процедур и правил вместе со связанной с этими компонентами документацией, позволяющей использовать ЭВМ, чтобы решать различные задачи. ПО дает возможность улучшить организацию работы ВС, чтобы максимально использовать ее возможности; повысить производительность и качество труда пользователя; адаптировать программы пользователя к ресурсам конкретной ВС; расширить ПО ВС.

Каналы ввода-вывода применяют для осуществления действий по вводу-выводу данных. Также они обеспечивают все двусторонние связи между оперативной памятью и процессором, с одной стороны, и разнообразными периферийными устройствами, с другой.

УУВУ обеспечивает управление периферийными устройствами посредством селекторных (или быстрых) и мультиплексных (или медленных) каналов ввода-вывода. УУВУ могут быть одиночные (которые управляют работой одного внешнего устройства) и групповые (которые обсуживают несколько однотипных внешних устройств, в каждый момент времени они обслуживают лишь одно внешнее устройство).

Периферийные устройства, такие как внешние запоминающие устройства (ВЗУ), обеспечивают хранение больших массивов информации.

2. СОСТАВ И СВОЙСТВА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Состав вычислительной системы называется конфигурацией.

Графически состав вычислительной системы отображен в Рисунке 1.

Рисунок 1

Отдельно рассматриваются аппаратная конфигурация вычислительных систем и их программная конфигурация. Критерии для выбора аппаратного или программного решения - производительность и эффективность.

2.1. Аппаратное обеспечение

Аппаратное обеспечение (с английского hardware, HW) –общее описание любого физического, электронного, механического элемента компьютерной системы, что состоит из печатной платы, микросхемы или другого вида электроники. 

К аппаратному обеспечению ВС причисляют устройства и приборы, которые образуют аппаратную конфигурацию. Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочно-модульную конструкцию — аппаратную конфигурацию, требуемую для выполнения конкретных видов работ, можно собирать из готовых узлов и блоков.

По способу расположения относительно ЦП различают внутренние и внешние устройства. Внешними являются большинство устройств ввода-вывода данных (их также называют периферийными устройствами) и некоторые устройства, которые предусматривают долгосрочное хранение данных.

Согласовываются отдельные узлы и блоки с использованием переходных аппаратно-логических устройств, также называемых аппаратными интерфейсами. Стандарты на аппаратные интерфейсы носят название «протоколы». Таким образом, протокол — это комплекс технических условий, которые разработчики устройств должны обеспечить для эффективного согласования работы с другими устройствами.

Большое число интерфейсов, которые находятся в архитектуре любой ВС, можно условно разделить на 2 большие категории: последовательные и параллельные. Через последовательный интерфейс данные передаются последовательно, бит за битом, а через параллельный –группами битов, одновременно. Количество битов, которые могут участвовать в одной посылке, определяется через разрядность интерфейса.

Параллельные интерфейсы обычно более сложно устроены, чем последовательные, но они обеспечивают более высокую производительность. Производительность параллельных интерфейсов измеряется байтами в секунду (байт/с; Кбайт/с; Мбайт/с).

Устройство последовательных интерфейсов проще; однако пропускная способность их меньше и коэффициент полезного действия не такой высокий. Так как обмен данными через последовательные устройства производится не байтами, а битами, следовательно, их производительность измеряют в битах в секунду (бит/с, Кбит/с, Мбит/с).

2.2 Программное обеспечение

Программы — это упорядоченные последовательности команд. Конечная цель для любой компьютерной программы — управление аппаратными средствами.

Состав программного обеспечения (ПО) ВС называется программной конфигурацией. Программы, также, как и физические узлы и блоки, взаимосвязаны — многие программы работают, опираясь на другие программы уровнем ниже, таким образом можно говорить о межпрограммном интерфейсе. Возможность использования такого интерфейса тоже основывается на технических условиях и протоколах взаимодействия, на практике это обеспечено тем, что ПО распределяется на несколько уровней, которые взаимодействуют между собой.

Уровни ПО являются пирамидальной конструкцией. Каждый следующий уровень опирается на ПО предшествующих уровней. Каждый вышележащий уровень, в свою очередь, повышает функциональность всей системы. Структура программного обеспечения отражена в Рисунке 2.

Рисунок 2

1. Базовый уровень. Самый низкий уровень ПО, он представляет базовое программное обеспечение. Оно отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Обычно базовые программные средства непосредственно входят в состав базового оборудования. Они хранятся в микросхемах, которые называют постоянными запоминающими устройствами (ПЗУ — Read Only Memory, ROM). Программы и данные на этапе производства записываются (или «прошиваются») в микросхемы ПЗУ и их нельзя изменить в процессе эксплуатации.

2. Системный уровень. Системный уровень — переходный. Программы, которые работают на этом уровне, обеспечивают взаимодействие программ компьютерной системы и программ базового уровня и аппаратного обеспечения, то есть выполняют «посреднические» функции.

– средства обеспечения пользовательского интерфейса – с их помощью компьютер водит данные в ВС, управляет ее работой и получает результат в необходимой для себя форме.

– драйверы – расширяют возможности ОС, позволяют ей работать с подключенным устройством, обучает ее новому протоколу обмена данными и т. д.

Совокупность ПО системного уровня образует ядро операционной системы компьютера. Наличие ядра операционной системы — необходимое условие, пользователь имел возможность практической работы с вычислительной системой.

3. Служебный уровень. ПО этого уровня взаимодействует с программами базового уровня и системного уровня. Основная задача служебных программ (также именуемых утилитами) заключается в автоматизации работ по проверке, наладке и настройке компьютерной системы. Часто они используются для расширения или улучшения функционирования системных программ.

Диспетчеры файлов (файловые менеджеры) выполняют операции по обслуживанию файловой системы.

Архиваторы – предназначены для сжатия файлов и создания архивов.

Средства просмотра и воспроизведения – позволяют просматривать документы разных типов (например, плееры).

Средства диагностики – используют, чтобы устранять неполадки и оптимизировать работу компьютера.

Средства коммуникации – обеспечивают операции в компьютерных сетях.

Средства обеспечения безопасности – обеспечивают защиту данных от несанкционированного доступа или от повреждений.