Файл: Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем..pdf

ВВЕДЕНИЕ

Компьютерные технологии прочно внедрились в нашу повседневную жизнь. Мы пользуемся достижениями науки, не задумываясь о том, каким образом они развивались и чьи имена стоят за тем или иным открытием. Сегодня машины научились обрабатывать огромное количество информации, научились ее анализировать, сортировать, хранить, предоставлять к не доступ различными способами.

Но все это начиналось с простых вычислительных систем. Вычислительная система - это совокупность аппаратно-программных средств, образующих единую среду, предназначенную для решения задач обработки информации (вычислений). Различными методами и алгоритмами человек научился строить сложные вычислительные системы, которые способны выполнять несколько миллионов операций в секунду. Сейчас стремления направлены на создание систем, работающих 24/7, повышение отказоустойчивости этих систем, а также на обработку больших данных.

В рамках данной курсовой работы мы рассмотрим историю вычислительных систем, проанализируем их компоненты и разберем основные свойства. Рассмотрим несколько вариантов обеспечения вычислительных систем – математическое и информационное обеспечение.

Объектом данной работы является вычислительная система и ее математическое и информационное обеспечение.

Для написания работы была изучена соответствующая литература. Авторы, которые наиболее точно, по-моему мнению, смогли раскрыть интересующие меня вопросы, были использованы для написания этой работы.

ГЛАВА I. СОСТАВ И СВОЙСТВА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

1.1. История ЭВМ

Идея использования программного управления для создания устройства, автоматически выполняющего арифметические вычисления, была впервые поднята британским математиком Чарльзом Бэббиджем в 1833 году, с его попытки построить механическое вычислительное устройство с программным управлением не увенчались успехом^[1].

Первой рабочей универсальной автоматически управляемой вычислительной машиной считается расчетно-механическая машина «Марк-1» (США, 1944). Большую часть времени приходилось на простои машины. Такая же низкая производительность была обнаружена и у машины «Марк-2», построенной на реле улучшенной конструкции^[2].

В качестве отправной точки эры компьютера принимают сеанс пробной эксплуатации, разработанный Дж. Моучли (США, 1942.) машина ENIAC^[3], которая началась в Университете Пенсильвании в 1946 году.

В этой машине – 18.000 электрических ламп, 1500 электромеханических реле. Применение ламп повысило скорость выполнения операций в 1000 раз по сравнению с «Марк-1». Общий вес ЭВМ ENIAC-30т, производительность-5000 операций/ С. Через 40 лет после запуска первого компьютера годовой объем производства компонентов был оценен к 1985 году в 1014 активных логических воротах (группах активных элементов), что эквивалентно одному ENIAC на жителя Земли. Для сравнения: за 500 лет развития книгопечатания к 1962 году, общий тираж всех изданий достиг уровня 2 книги на каждого жителя Земли

Электронные лампы стали элементной базой ВМ первого поколения. Основная схема - симметричный триггер был создан в 1918 году. Советский ученый М. А. Бонч-Бруевич. В 1919 году аналогичная схема, разработанная американскими учеными Икклзом и Джорданом^[4].

Первые проекты отечественных компьютеров были предложены С. А. Лебедевым, Б. И. Рамеевой в 1948 году. В 1949-51гг. по мнению С. А. Лебедева была построена МЭСМ (малая электронная счетная машина). К 1-му поколению относится вычислительная техника БЭСМ-1 (крупная электронная счетная машина), разработка которой под руководством С. Лебедева была завершена в 1952 году. Она содержала 5 тыс. ламп, работала без сбоев в течение 10 часов. Быстродействие достигло 10 тыс. операций в секунду. В 1953 году был запущен в серийное производство компьютер «Стрела», разработанный под руководством Ю. Базилевского. Позже появилась ЭВМ «Урал-1», которая положила начало большой серии машин, разработанных и внедренных в производство под руководством Рамеева^[5]. В 1958 году начато серийное производство компьютеров первого поколения М-20 (скорость до 20 тыс. операций / с).

В середине 50-х годов компьютеры первого поколения были заменены компьютерами второго поколения, построенными на полупроводниковых приборах. В нашей стране был создан ряд полупроводниковых компьютеров различного назначения: малые серии «Наири» и «мир», в среднем со скоростью 5-30 тыс. операций/с – «Минск», «Раздан», БЭСМ-4, м-220 и лучшие машины второго поколения – БЭСМ-6 (скорость до 1 млн опер/с).

К началу 1960-х годов, были разработаны интегральные схемы. Использование их для сборки компьютера стало революцией в массе и способствовало появлению машин третьего поколения^[6].

С 1972 года в нашей стране, вместе с социалистическими странами начался выпуск моделей первой очереди ЕС ЭВМ (ряд-1): ЕС-1010, 1020, 1022, 1030, 1033, 1040, 1050, 1052. Второй этап (серия-2): ЕС-1015, 1025, 1035, 1045, 1055, 1060, 1065 имела более современную схемотехнику, конструкторскую и технологическую базу, за счет чего повысилась производительность и функциональность^[7].

Одной из характерных особенностей компьютеров четвертого поколения является переход от интегральных функциональных схем к интегрированным компьютерным подсистемам. Подсчитано, что внедрение БИС повышает надежность более чем в 10 раз. От отечественных компьютеров до машин четвертого поколения - это машины семейства «Эльбрус»^[8].

1.2. Состав вычислительной системы

Состав компьютерной системы называется конфигурацией. Аппаратное и программное обеспечение вычислительной техники рассматривается отдельно. Это важно, ведь зачастую решение одних и тех же задач может быть обеспечено как аппаратным, так и программным обеспечением. Критериями выбора аппаратного или программного решения являются производительность, эффективность и стоимость^[9]. Как правило, аппаратные решения стоят дороже, и реализация программных решений требует более высокой квалификации персонала.

Аппаратное обеспечение

Аппаратное обеспечение вычислительных систем включает устройства и приборы, реализующие аппаратную конфигурацию. Современные компьютеры и вычислительные системы имеют блочно-модульную аппаратную конфигурацию, ориентированную на выполнение конкретных видов работ, и собираются из готовых узлов и блоков^[10].

Согласование между отдельными узлами и блоками выполняется с помощью переходных аппаратно-логических устройств, называемых аппаратными интерфейсами^[11]. Стандарты для аппаратных интерфейсов в вычислительной технике называются протоколами. Протокол-это совокупность технических условий, которые должны быть обеспечены разработчиками устройств для координации их работы с другими устройствами.

Интерфейсы, присутствующие в архитектуре вычислительных систем можно разделить на последовательные и параллельные. Данные передаются последовательно, по битам и группами битов через последовательный интерфейс^[12]. Количество битов одного пакета определяется разрядностью интерфейса. Например, восьмибитные параллельные интерфейсы передают 8 битов в цикл.

Параллельные интерфейсы обычно имеют более сложное устройство и более высокую производительность. Они используются, когда важна скорость передачи данных. Устройство последовательных интерфейсов проще. Их называют асинхронными интерфейсами, так как не нужно синхронизировать работу передающего и принимающего устройства^[13].

Производительность параллельных интерфейсов измеряется в байтах в секунду (байты/с, КБ/с, МБ/с) и последовательных интерфейсах в битах в секунду (биты/с, КБ/с, МБ/с).

Программное обеспечение

Программа представляет собой упорядоченную последовательность команд. Конечная цель любой компьютерной программы – аппаратное управление.

Программное и аппаратное обеспечение работают в неразрывной связи и непрерывном взаимодействии^[14]. Программного обеспечения вычислительной системы называется конфигурацией программного обеспечения. Существует взаимосвязь между программами, а также между физическими узлами и блоками – многие программы работают на базе других программ более низкого уровня, то есть можно говорить о межпрограммном интерфейсе. Этот интерфейс основан на соответствующих технических характеристиках и протоколах связи. На практике он обеспечивается распределением программного обеспечения на несколько уровней, взаимодействующих друг с другом.

Существует 4 уровня компьютерного программного обеспечения: базовый, системный, сервисный и прикладной, которые образуют пирамидальную структуру^[15].

Базовый уровень. Это самый низкий уровень программного обеспечения. Он обеспечивает связь с базовым оборудованием. Как правило, базовое программное обеспечение является частью базового оборудования и хранится в специальных чипах, называемых постоянными ПЗУ или ROM (ReadOnlyMemory). Соответствующие программы и данные записываются ("сшиваются") в микросхемы ПЗУ во время производства и не могут быть изменены во время работы^[16].

В случаях, когда изменять основное программное обеспечение во время деятельности технически невозможен, вместо блоков ROM, использованы перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства (EPROM– Erasable and Programmable ReadOnlyMemory). В этом случае изменение данных может осуществляться как непосредственно в составе компьютерной системы (flash-технологии), так и вне ее на специальных устройствах (программах)^[17].

Системный уровень – переходный. Программы, работающие на этом уровне выполняют «посреднические» функции, обеспечивающие взаимодействие других программ компьютера с программами базового уровня и непосредственно с аппаратным обеспечением^[18].

Производительность вычислительной системы зависит от программного обеспечения этого уровня. Например, при подключении нового оборудования на системном уровне необходимо установить программу, обеспечивающую подключение этого оборудования к другому программному обеспечению. Программы, взаимодействующие с определенными устройствами, называются драйверами устройств.

Другие программы системного уровня отвечают за взаимодействие с пользователем^[19]. Благодаря им он получает возможность вводить данные в компьютерную систему, управлять ее работой и получать результат в удобной форме. Эти инструменты называются инструментами пользовательского интерфейса. Они напрямую влияют на удобство работы с компьютером и производительность труда на рабочем месте.

Ядро операционной системы формируется набором программного обеспечения системного уровня. Если ваш компьютер оснащен программным обеспечением системного уровня, он готов установить программное обеспечение более высокого уровня, взаимодействовать с оборудованием и взаимодействовать с пользователем^[20]. Наличие ядра операционной системы -это необходимое условие для возможности практической работы человека с вычислительной системой.

Уровень обслуживания. Программы на этом уровне взаимодействуют с базовыми и системными программами. Системные программы называются утилитами и их основное назначение - автоматизировать работу по проверке и настройке компьютерной системы^[21]. Они часто используются для расширения или улучшения функций полезности.

Есть два направления в работе утилит: интеграция с операционной системой и автономная работа. В первом случае в операционную систему включаются утилиты для изменения потребительских свойств системных программ, что делает их более удобными для практической работы. Во втором случае, они слабо связаны с системным программным обеспечением, но предоставляют пользователю больше возможностей для персональной настройки взаимодействия с аппаратным и программным обеспечением. Примеры утилит: архиваторы, файловые менеджеры, диагностика, мониторинг, связь и так далее.