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

Прикладной уровень. Программное обеспечение прикладного уровня - это набор прикладных программ, с помощью которых пользователь выполняет широкий спектр конкретных задач – от производственных до творческих и развлекательных^[22]. Огромный функциональный диапазон возможных приложений и средств вычислительной техники обусловлен наличием приложений для различных видов деятельности. Примеры приложений включают в себя текстовые и графические редакторы, системы управления базами данных, издательские системы, электронные таблицы, системы автоматизированного проектирования, и многие другие.

Вычислительная система соединяет оборудование, контролирует оборудование (физические ресурсы), инструменты управления, логические ресурсы, систему программирования и прикладное обеспечение^[23].

В основе цифровых вычислительных систем лежат логические цифровые схемы на основе элементов, которые принимают два возможных фиксированных значения - "0" и " 1". Информация в таких схемах представлены в виде импульсных электрических сигналов, имеющих амплитуду ниже определенного уровня (логический ноль) или выше определенного уровня (логическая единица)^[24]. При построении цифровой ВС реализован принцип программного управления. Суть этого принципа заключается в следующем: цифровая схема построена таким образом, что может решать определенный набор простых задач или выполнять определенные действия (команды); объединив эти действия в соответствии с заданным алгоритмом для решения сложной задачи (программы), можно получить решение для очень широкого круга задач^[25].

Таким образом, вычислительная система состоит из аппаратного и программного обеспечения, которые выступают как неразрывное единство.

Аппаратное обеспечение включает электронные схемы, из которых построена система, и схемы, обеспечивающие их работоспособность.

К программному обеспечению относятся последовательности команд, реализующие решение задач и функции обработки информации^[26].

1.3. Основные свойства вычислительных систем

Появление любого нового направления в вычислительной технике определяется требованиями компьютерного рынка. Поэтому разработчики компьютеров имеют единые цели, одной из которых является расширение основных характеристик^[27]:

• Коэффициент цены/представления;
• Надежность и отказоустойчивость
• Масштабируемость;
• Совместимость и переносимость программного обеспечения.

Большой универсальный компьютер (mainframe) или суперкомпьютеры дорогие. Для достижения этих целей, проектирование высокопроизводительных конструкций приходится игнорировать стоимостную характеристику. Суперкомпьютеры фирмы Cray Research и высокопроизводительные мейнфреймы компании IBM относятся к этой категории компьютеров. Другой крайний пример недорогая конструкция, где производительность принесена в жертву достижения низкой цены. Данное направление включает в себя компьютеры различных клонов IBM PC^[28]. Между этими двумя крайностями существуют проекты, основанные на соотношении затрат/ производительность, в которых разработчики находят баланс между затратами, необходимыми параметрами и производительностью. Типичные примеры такого рода компьютеров являются миникомпьютеры и рабочие станции^[29].

Для сравнения различных компьютеров друг с другом обычно используются стандартные методы измерения производительности. Эти методы позволяют разработчикам и пользователям использовать полученные при тестировании количественные показатели для оценки различных технических решений, и в итоге иметь полную информацию о ВМ и ее цене, которая дает потребителю рациональное основание для принятия решения, какой компьютер выбрать.

Важнейшей характеристикой вычислительных систем является надежность^[30].

Повышение надежности основано на принципе предотвращения неисправностей путем снижения интенсивности отказов и сбоев за счет применения электронных схем и компонентов с высокой и сверхвысокой степенью интеграции, снижения уровень шума, облегченных режимов работы схем, обеспечение тепловых режимов работы, а также за счет совершенствования методов сборки аппаратуры^[31].

Отказоустойчивость – это свойство вычислительной системы, которая дает ей, как логической машине, возможность продолжения действий, указанных программой, после возникновения неисправностей. Введение отказоустойчивости требует избыточного аппаратного и программного обеспечения^[32].

Направления, связанные с предотвращением неисправностей и отказоустойчивость – основная проблема надежности. Концепции параллельности и отказоустойчивости вычислительных систем естественным образом связаны, потому что оба требуют дополнительных функциональных компонентов. Так что, по сути, параллельные вычислительные системы достигают и высокого класса исполнения и, во многих случаях, очень высокую надежность. Доступные ресурсы резервирования в параллельных системах могут гибко использоваться для улучшения производительности и надежности. Структура многопроцессорных и многомашинных систем, адаптированных к автоматическим реконфигурациям, обеспечивается возможностью продолжения работы системы после возникновение неисправностей^[33].

Следует помнить, что понятие надежности включает не только аппаратные средства и инструменты, но и программное обеспечение. Основной целью повышения надежности систем является целостность хранимых в них данных^[34].

Масштабируемость - это способность увеличить число и мощность процессора, оперативной памяти, внешней памяти и других ресурсов вычислительной системы. Масштабируемость должна обеспечиваться архитектурой и конструкцией компьютера, а также соответствующими средствами программного обеспечения^[35]. Добавление каждого нового процессора в действительно масштабируемой система должна обеспечивать предсказуемое повышение производительности и емкость по приемлемой стоимости. Одной из основных задач в построение масштабируемых систем является минимизация стоимости расширения компьютера и упрощение планирования. В идеале добавление процессоров к системе должно привести к линейному увеличению его производительности. Однако так бывает не всегда. Потери производительности могут возникать, например, при недостаточной производительности пропускной способности шины за счет увеличения трафика между процессорами и основной памятью, а также между памятью и устройствами ввода/вывода^[36]. В действительности реальное увеличение производительности трудно оценить заранее, так как от нее во многом зависит динамика поведения применяемого задачи.

Возможность масштабирования системы определяется не только архитектурой аппаратных средств, но зависит от заложенных свойств программного обеспечения.

Масштабируемость программного обеспечения влияет на все уровни, от простых механизмов передачи сообщений до работы с такими сложными объектами как мониторы транзакций и вся среда прикладной системы. В частности, программное обеспечение должно минимизировать межпроцессорный трафик обмена, который может препятствовать линейному росту производительности системы^[37]. Аппаратные средства (процессоры, шины и устройства ввода/вывода) являются частью масштабируемой архитектуры, на которой программное обеспечение может обеспечить предсказуемый рост производительности. Важно, что простой переход, например, на более мощный процессор может перегрузить другие компоненты системы. Это означает, что на самом деле масштабируемая система должна быть сбалансирована во всех отношениях.

Концепция программной совместимости впервые была представлена разработчиками IBM/ 360^[38]. Основной задачей при проектировании как раз нескольких моделей этой системы было создать архитектуру, которая будет одинаковой с точки зрения пользователя для всех моделей системы независимо от цены и производительности каждой из них. Огромное преимущество такого подхода - это возможность сохранить существующий резерв программного обеспечения для перехода на новые (обычно более продуктивные) модели. Такие системы были быстро оценены как производителями компьютеров, так и пользователями и с тех пор практически все компании-поставщики компьютеров оборудование приняли эти принципы, поставляя серии совместимых компьютеры^[39]. Следует отметить, что со временем даже самая передовая архитектура неизбежно устаревает и возникает необходимость радикальных изменений архитектура и методы организации вычислительных систем.

В настоящее время одним из важнейших факторов, определяющих современные тенденции развития информационных технологий, ориентация компаний-поставщиков компьютерного оборудования на рынок прикладного программного обеспечения^[40]. Это в первую очередь связано с тем, что программное обеспечение конечного пользователя позволяет решить проблемы, а не проблемы выбора аппаратной платформы.

Переход от однородных сетей программно совместимых компьютеров к построению гетерогенных сетей, в том числе компьютеры различных производителей, в коренным образом изменили точку зрения на саму сеть. Из сравнительно простого средства обмен информацией, компьютер стал средством интеграции отдельных ресурсов, его мощная распределенная вычислительная система, каждый элемент которой (сервер или рабочая станция) лучше всего соответствует конкретным требованиям прикладных задач^[41].

Этот переход выдвинул ряд новых требований. Прежде всего, это вычислительная среда, которая должна обеспечивать гибкие изменения в количестве и составе оборудования и программное обеспечение согласно изменениям требований к решаемым задачам. Во-вторых, она должна предоставить возможность запуск одних и тех же программных систем на разных аппаратных платформах, то есть обеспечить мобильность программного обеспечения. В-третьих, эта среда должна гарантировать возможность использования одинакового интерфейса на всех компьютерах в сети^[42]. В условиях жесткой конкуренции между производителями аппаратных и программных платформ сформирована концепция открытых систем, некая совокупность стандартов на различные компоненты вычислительной среды, предназначенная для обеспечения мобильности программных средств, в рамках гетерогенной распределенной вычислительной системы^[43].

Одним из вариантов моделей открытой среды является модель OSE (Open System Environmental), предложенная Комитетом IEEE POSIX. Основанный на этой модели Национальный институт стандартов и технологий США выдал документ «Application Portability Profile (APP) The U.S. Government's Open System Environment Profile OSE/1 Version 2.0», который определяет рекомендуемые для учреждений США спецификации в области информационных технологий, обеспечивающие мобильность системного и прикладного программного обеспечения. Все ведущие производители компьютеров и программного обеспечения в США в настоящее время придерживаются требований этого документа^[44].

В данной главе мы рассмотрели историю создания ЭВМ и дали примерное описание первых вычислительных машин. Определили основные составляющие вычислительной системы, рассмотрели их классификацию. Разобрали основные свойства (характеристики), которыми должна обладать вычислительная система. Для изучения этого вопроса была учтена популярная литература.

ГЛАВА II. ИНФОРМАЦИННОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

2.1. Математическое обеспечение

Все методы формализации задач управления, в том числе и те, на основе которых базируется рациональное функционирование технической поддержки информационных систем, называются математическим программным обеспечением^[45].

Математическое обеспечение – совокупность математических методов, моделей, алгоритмов обработки информации, используемых при решении задач в информационной системе (функциональных и автоматизации проектирования информационных систем)^[46]. К средствам математического обеспечения относятся:

• Инструменты моделирования процессов управления;
• Типовые задачи управления;
• Методы математического программирования, математической статистики, теории массового обслуживания и др.

Математическое программное обеспечение является неотъемлемой частью программного обеспечения ИС. Прикладные и вспомогательные программы формируются преимущественно на основе математических методов^[47]. В тех случаях, когда нет возможности выбрать математический метод для решения той или иной актуальной задачи, используются эвристические алгоритмы.