Файл: Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем (Базовые понятия вычислительных машин и систем).pdf

Рисунок 1. Базовая схема устройства персонального компьютера.^[5]

Аппаратное обеспечение компьютера – это его электронные и механические части, которые входят в состав системы или сети, исключая программное обеспечение и данные (информацию, которую вычислительная система хранит и обрабатывает).

Понятие программного обеспечения менее однозначно и имеет несколько частично различающихся определений. Базовое определение этого термина (как и всех основных терминов, используемых в области ИТ) приведено в международном стандарте на терминологию в области информационных технологий ISO/IEC 2382-1: 1993 «Термины и определения». В нем дана следующая дефиниция понятия «программное обеспечение»:

Программное обеспечение – любая часть программ, процедур, правил и документации для систем обработки информации.

Каждый из базовых компонентов ЭВМ не может полноценно функционировать по отдельности, они взаимосвязаны и взаимозависимы и вместе обеспечивают поступательное развитие вычислительной техники. Появление новых программ вызывает совершенствование аппаратной базы компьютеров, а новые аппаратные возможности и решения стимулируют написание программистами новых программных средств.

Наряду с аппаратным и программным обеспечением средств вычислительной техники в некоторых случаях целесообразно рассматривать информационное обеспечение, под которым понимают совокупность программ и предварительно подготовленных данных, необходимых для работы данных программ.

Рассмотрим, к примеру, систему автоматической проверки орфографии в редактируемом тексте. Ее работа состоит, по сути в том, что лексические единицы исходного текста сравниваются с заранее заготовленным эталонным массивом данных (словарем). В данном случае для успешной работы системы крайне важно иметь кроме аппаратного и программного обеспечения специальные наборы словарей, подключаемые извне. Это пример информационного обеспечения вычислительной техники.

В специализированных компьютерных системах (бортовых компьютерах автомобилей, судов, ракет, самолетов, космических летательных аппаратов и т. п.) совокупность программного и информационного обеспечения называют математическим обеспечением. Как правило, оно «жестко» записывается в микросхемы ПЗУ и может быть изменено только путем замены ПЗУ или его перепрограммирования на специальном оборудовании.^[6]

---

Все компьютерные программы, которые входят в программное обеспечение ЭВМ, можно разделить на два основных класса, каждый из которых обеспечивает выполнение вычислительных операций определенного типа:

• системное программное обеспечение – не привязано к какому-либо конкретному типу прикладных задач и обеспечивает работу прикладного программного обеспечения (например, операционная система (ОС));

• прикладное программное обеспечение – программы, специально предназначенные для решения прикладных задач определенного класса (например, текстовый процессор, электронные таблицы и т.д.).^[7]

К системному программному обеспечению относится в первую очередь специальный программный комплекс, который получил название «операционная система».

Операционная система является главным элементом функциональности компьютерных систем, так как именно она обеспечивает управление аппаратными средствами компьютера, организует работу с файлами и выполнение прикладных программ, осуществляющих ввод, обработку и вывод данных. Программный пакет, входящий в операционную систему, загружается на компьютерное устройство на самом первом этапе и в дальнейшем позволяет изменять набор прикладных программ в зависимости от характера решаемых задач и пополнять состав его прикладного программного обеспечения. Основным общепринятым определением понятия операционной системы является следующее.

Операционная система (англ. OS – operating system) – комплекс управляющих и обрабатывающих программ, выполняющих функции интерфейса между устройствами аппаратной части вычислительной системы и прикладными программами. Она обеспечивает эффективное управление всеми аппаратными устройствами и вычислительными процессами через наиболее рациональное распределение вычислительных ресурсов компьютера.

Для управления различными устройствами, которые подключаются к компьютеру (например, принтером, сканером и т.п.), операционная система взаимодействует со специальным программным обеспечением, которое обычно входит в комплект поставки данного устройства и называется программой-драйвером.^[8]

Наиболее распространенными в настоящее время ОС являются системы семейства Microsoft Windows, OSX и UNIX-подобные системы.

Разнообразие компьютерных программ, которые могут составлять прикладное программное обеспечение компьютера, чрезвычайно велико, поскольку именно с помощью прикладных программ пользователь решает стоящие перед ним задачи. Поэтому самое общее определение понятия прикладного программного обеспечения может выглядеть так.

---

Прикладное программное обеспечение – это специализированные компьютерные программы, обеспечивающие выполнение действий, требуемых для решения конкретных задач, которые стоят перед пользователем.

Прикладное программное обеспечение компьютера состоит из отдельных прикладных программ и интегрированных пакетов прикладных программ, предназначенных для решения различных пользовательских задач. Например, интегрированный пакет для обеспечения всех видов офисной работы – MS Office, который включает текстовый процессор Word, электронные таблицы Excel, средства создания базы данных Access, редактор для создания компьютерных презентаций PowerPoint, редактор компьютерной графики Microsoft Photo Editor.

Прикладные программы можно объединять в группы в зависимости от их функционального назначения, однако такая классификация будет достаточно условной и открытой, так как число ее классов и подклассов может увеличиваться неограниченно при появлении новых сфер использования компьютерной техники и, соответственно, новых видов задач.

Тем не менее, основные группы прикладного программного обеспечения, которые можно выделить на сегодняшний день, это:

1) офисные программы и приложения – обеспечивают автоматизацию всех производственных процессов в работе типового офиса (например, интегрированные пакеты MS Office и Open Office);

2) программы, обеспечивающие воспроизведение мультимедийной информации, – позволяют пользователю взаимодействовать с файлами, содержащими видео- и аудиоинформацию (например, Windows Media Player, Real Player и др.);

3) программы, обеспечивающие работу (просмотр и редактирование) с файлами с графической информацией (например, ACDSee, Paint, Adobe Photoshop, CorelDRAW и др.);

4) программы, обеспечивающие просмотр и редактирование файлов с аудио- и видеоинформацией (например, Audacity, Sony Vegas, Camtasia Studio, Miscrosoft Move Maker и др.);

5) программы для просмотра информации в Интернете – программы- браузеры (например, Internet Explorer, Google Chrome, Opera, Mozilla Firefox и др.).^[9]

3. Технические и эксплуатационные характеристики вычислительных машин

Производительность вычислительной машины. Этот показатель определяется архитектурой процессора, иерархией внутренней и внешней памяти, пропускной способностью системного интерфейса, системой прерывания, набором периферийных устройств в конкретной конфигурации, совершенством ОС и т.д. Основные единицы оценки производительности:

---

• абсолютная, определяемая количеством элементарных работ, выполняемых в единицу времени;

• относительная, определяемая для оцениваемой ЭВМ относительно базовой в виде индекса производительности.

Для каждого вида производительности применяются следующие традиционные методы их определения.

Пиковая производительность (быстродействие) определяется средним числом команд типа «регистр – регистр», выполняемых в одну секунду без учета их статистического веса в выбранном классе задач.

Номинальная производительность (быстродействие) определяется средним числом команд, выполняемых подсистемой «процессор – память» с учетом их статистического веса в выбранном классе задач. Она рассчитывается, как правило, по формулам и специальным методикам, предложенным для процессоров определенных архитектур, и измеряется с помощью разработанных для них измерительных программ, реализующих соответствующую эталонную нагрузку.^[10]

Для данных типов производительностей используются следующие единицы измерения:

• MIPS (Mega Instruction Per Second) — миллион команд в секунду;

• МFLOPS (Mega Floating Operations Per Second) — миллион операций над числами с плавающей запятой в секунду;

• GFLOPS (Giga Floating Operations Per Second) — миллиард операций над числами с плавающей запятой в секунду и т.д.^[11]

Системная производительность измеряется с помощью синтезированных типовых (тестовых) оценочных программ, реализованных на унифицированных языках высокого уровня. Унифицированные тестовые программы используют типичные алгоритмические действия, характерные для реальных применений, и штатные компиляторы ЭВМ. Они рассчитаны на использование базовых технических средств и позволяют измерять производительность для расширенных конфигураций технических средств. Результаты оценки системной производительности ЭВМ конкретной архитектуры приводятся относительно базового образца, в качестве которого используются ЭВМ, являющиеся промышленными стандартами систем ЭВМ различной архитектуры. Результаты оформляются в виде сравнительных таблиц, двумерных графиков и трехмерных изображений.

Эксплуатационная производительность оценивается на основании использования данных о реальной рабочей нагрузке и функционировании ЭВМ при выполнении типовых производственных нагрузок в основных областях применения. Расчеты делаются главным образом на уровне типовых пакетов прикладных программ текстообработки, систем управления базами данных, пакетов автоматизации проектирования, графических пакетов и т.д.

---

4. Классическая архитектура вычислительных машин и систем

В основу построения современных вычислительных машин были положены следующие принципы фон Неймана.^[12]

1. Принцип однородности памяти. Команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне в памяти неразличимы. Распознать их можно только по способу использования, т.е. одно и то же значение в ячейке памяти может использоваться и как данные, и как команда, и как адрес в зависимости лишь от способа обращения к нему. Это позволяет производить над командами те же операции, что и над числами, и, соответственно, открывает ряд возможностей. Так, циклически изменяя адресную часть команды, можно обеспечить обращение к последовательным элементам массива данных. Такой прием носит название модификации команд и с позиций современного программирования не приветствуется. Более полезным является другое следствие принципа однородности, когда команды одной программы могут быть получены как результат исполнения другой программы. Эта возможность лежит в основе трансляции — перевода текста программы с языка высокого уровня на язык конкретной вычислительной машины.

2. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, причем процессору в произвольный момент доступна любая ячейка. Двоичные коды команд и данных разделяются на единицы информации, называемые словами, и хранятся в ячейках памяти, а для доступа к ним используются номера соответствующих ячеек – адреса.

3. Принцип программного управления. Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов — команд. Каждая команда предписывает некоторую операцию из набора операций, реализуемых вычислительной машиной. Команды программы хранятся в последовательных ячейках памяти вычислительной машины и выполняются в естественной последовательности, т.е. в порядке их положения в программе. При необходимости с помощью специальных команд эта последовательность может быть изменена. Решение об изменении порядка выполнения команд программы принимается либо на основании анализа результатов предшествующих вычислений, либо безусловно.

---