Файл: СОСТАВ И СВОЙСТВА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ. ИНФОРМАЦИОННОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ.(Состав технических средств вычислительных систем).pdf

Введение

В настоящей курсовой работе объектом исследования является состав, свойства, математическое и информационное обеспечение вычислительных систем. В теоретической части предметом исследования является изучение состава, свойств, математического и информационного обеспечения вычислительных систем. В практической части предложена структура вычислительной системы для условной коммерческой организации. Целью курсовой работы является исследование вычислительных систем. Задачами курсовой работы является определение состава и свойств существующих вычислительных систем, определение применяемого математического и информационного обеспечения в вычислительных системах. Актуальность темы исследования определяется следующими факторами: применение вычислительных систем в различных сферах деятельности (экономика, производство, государственное управление, медицина, военная промышленность, энергетика, информационные технологии и другие) предполагает решение различного вида задач [1, стр.78]. Соответственно, для каждого вида задач должна быть создана конкретная вычислительная система с заданными свойствами, которые обеспечиваются выбором архитектуры и состава технических средств, математического и информационного обеспечения. Кроме того, важно чтобы создаваемая вычислительная система выполняла требуемые задачи при минимальных затратах на ее создание. Постоянное совершенствование технических средств, математического и информационного обеспечения приводит к необходимости изменения архитектуры и состава технических средств, математического и информационного обеспечения в процессе эксплуатации вычислительных систем. Эти факторы требуют проведения исследования состава, свойств, математического и информационного обеспечения вычислительных систем для создания вычислительных систем, обеспечивающих выполнение поставленных задач.

Первые электронно-вычислительные машины (ЭВМ) были созданы в конце сороковых годов двадцатого столетия [5, стр. 39]. В этих ЭВМ процессор выполнял вычислительные функции и функции ввода-вывода. При выполнении ввода-вывода данных вычислительные функции не выполнялись. Это приводило к увеличению продолжительности вычислительного процесса. В конце пятидесятых годов операции ввода-вывода выполнялись специальными устройствами, что позволило сократить время выполнения вычислительного процесса за счет параллельного выполнения вычислительных функций и функций ввода-вывода [3, стр. 11]. С появлением в середине шестидесятых годов новой элементной базы в виде интегральных микросхем появилась возможность создавать более компактные технические средства. Появляется разнообразие технических средств, которые объединяются в локальные и распределенные вычислительные сети. Режим работы ЭВМ становится многопользовательским. Для управления работой технических средств и для обработки данных появляются системные и прикладные программные средства. В результате вычислений, обработки и накопления данных формируются базы данных. С увеличением разнообразия технических средств, с совершенствованием их параметров появляется возможность решения более широкого круга задач. С появлением персональных компьютеров стало возможным применять вычислительные средства для управления работой средних и мелких организаций. Сфера применения вычислительных средств увеличивается – коммерческие организации, банковский сектор, государственные учреждения, образовательные учреждения. Расширяется применение вычислительных средств в быту. Решение ряда задач потребовало создания информационного обеспечения. В результате технические, программные, информационные средства стали объединять в систему, а так как основная функция этой системы вычислительная, то и систему стали называть вычислительной [5, стр. 14].

---

Рассмотрим задачи, решаемые вычислительными системами, виды вычислительных систем для последующего правильного выбора состава вычислительной системы.

Объединим задачи в следующие группы – вычислительные задачи, задачи управления и задачи искусственного интеллекта.

Вычислительные задачи связаны с научно-техническим развитием. Это задачи проектирования новой техники, моделирование сложных процессов. Данные задачи требуют применения широкого спектра математического аппарата. Первоначально вычислительные системы создавались для автоматизации вычислений. Для решения этих задач требуется высокое быстродействие вычислительной системы.

Следующая группа задач, это задачи управления. Сюда относится управление снабжением, управление производством, управление сбытом, маркетинговые задачи, финансовое управление. Для решения этих задач требуется высокая надежность работы вычислительной системы.

Следующая группа задач, это задачи искусственного интеллекта – робототехника, перевод текстов с одного языка на другой, прогнозирование, моделирование сложных процессов. Решение этого типа задач предполагает параллельную обработку информации.

Таким образом, для решения определенного вида задач требуется различный состав и архитектура вычислительной системы.

Далее создание вычислительной системы предполагает достижение определенных целей. Это может быть следующее:

- повышение быстродействия вычислений;

- повышение достоверности вычислений;

- повышение надежности обработки и хранения данных;

- увеличение эффективности использования технических средств за счет более полной их загрузки;

- увеличение производительности вычислений путем распределения различных этапов вычислительного процесса по различным техническим средствам;

- увеличение количества функций, выполняемых программно-техническими средствами.

В зависимости от решаемой задачи различают следующие виды вычислительных систем [5, стр. 42]:

- локальные вычислительные системы;

- распределенные вычислительные системы;

- универсальные или специализированные вычислительные системы;

- однопроцессорные или многопроцессорные вычислительные системы;

- вычислительные системы индивидуального или коллективного пользования;

- однопрограммные или многопрограммные вычислительные системы.

Таким образом, для решения задач необходимо создать вычислительную систему, состоящую из технических средств, математического и информационного обеспечения.

---

Технические средства – устройства, выполняющие функции приема данных, обработки данных, передачи данных, хранения данных.

Математическое обеспечение – программные средства, использующее математический аппарат для управления работой технических средств [4, стр. 4].

Информационное обеспечение – базы данных и другие источники информации, используемые программными средствами для выполнения поставленных задач.

Выводы: во введении определены цели и задачи курсовой работы, указана актуальность темы, рассмотрена историография вычислительных систем, рассмотрены задачи, решаемые вычислительными системами, рассмотрены виды вычислительных систем.

Глава 1. Состав технических средств вычислительных систем

Состав вычислительной системы образует ее конфигурацию, причем отдельно техническую и программную конфигурацию [2, стр.168]. Распределим технические средства на следующие группы [4, стр. 193]:

- вычислительные средства, выполняющие функции обработки данных, т.е. электронно-вычислительная машина (компьютер) [4, стр. 13];

- внешние устройства, выполняющие функции управления данными, отображение данных, ввода-вывода данных, долговременного хранения данных;

- телекоммуникационные (сетевые) устройства, выполняющие функции передачи данных между компьютерами;

- каналы связи, устройства связывающие компьютеры между собой.

При формировании архитектуры вычислительной системы необходимо, чтобы выполнялась программно-техническая совместимость элементов системы. Техническая совместимость означает, что:

- подключаемые друг к другу технические средства имеют единые стандартные средства соединения (кабели, разъемы, единое назначение проводов в них);

- параметры электрических сигналов между аппаратурой должны быть едиными по амплитуде, длительности импульсов, полярности;

- различные последовательности электрических сигналов не должны противоречить друг другу (единый протокол обмена).

Отдельные устройства объединяются в вычислительные сети. Устройства, объединенные в единое целое в относительно небольшом пространстве (здание, помещение) образуют локальную вычислительную сеть [15, стр. 22]. Если устройства, входящие в вычислительную сеть, разнесены между собой на большие расстояния и объединены в работе каналами связи, то такие устройства образуют распределенную вычислительную сеть. По назначению вычислительные системы разделяют на универсальные и специализированные, предназначенные для решения узкого круга задач, например, бортовые вычислительные системы летательных аппаратов [2, стр.166]. Согласование в работе отдельных устройств вычислительной системы осуществляется с помощью интерфейса. Стандарты на интерфейсы образуют протоколы обмена данными. Интерфейсы разделяются на последовательные (передача сигналов последовательно по одному каналу) и параллельные (одновременная передача нескольких сигналов по нескольким каналам). Параллельные интерфейсы технически более сложные, однако их производительность более высокая. Скорость работы интерфейсов измеряется бит в секунду (бит/с). Аналогично скорость передачи данных в каналах связи измеряется бит в секунду (бит/с). Рассмотрим назначение отдельных технических устройств, входящих в вычислительные системы. Группировка устройств приведена в Приложении 1 «Состав технических средств вычислительных систем».

---

Процессор это центральная часть вычислительной системы, который выполняет арифметические функции, логические функции, временное хранение данных во внутренних регистрах, обмен данными внутри процессора. Остальные устройства вычислительной системы выполняют вторичные функции по отношению к процессору, т.е. вводят данные в процессор, отображают на экране, распечатывают данные, полученные от процессора, передают данные от процессора пользователям вычислительной системы. Для повышения производительности в вычислительных системах могут быть установлены несколько процессоров. В этом случае выполняются одновременно несколько частей одной задачи или выполняется многозадачный режим (выполняется одновременно несколько задач).

Оперативная память (ОЗУ, RAM) используется для оперативного (быстрого доступа) хранения и обмена информацией с другими устройствами компьютера [17, стр. 9].

Постоянная память (ПЗУ, ROM) в составе компьютера используется для хранения данных и программ.

Устройства ввода/вывода (I/O) используются для связи процессора с внешними устройствами.

Системная шина это несколько проводов, объединяющих различные устройства вычислительной системы между собой (процессор, оперативная память, контроллеры, дисководы, внутренняя постоянная память и другие). В состав системной шины входит: шина данных, адреса, шина управления, шина питания [5, стр. 86]. Передача информации между устройствами осуществляется по одним и тем же шинам, по обеим направлениям, но в разное время (мультиплексированный режим). Все устройства, подключенные к шине, имеют единый алгоритм (протокол) обмена информацией по шине [7, стр. 27].

Дисководы используются для записи информации на внешние носители (диски, дискеты) и считывания информации с внешних накопителей [16, стр. 20].

Дисплеи (мониторы, экраны) это устройства, предназначенные для отображения информации. Мониторы можно разделить на мониторы с использованием электронно-лучевых трубок (кинескопов) и на мониторы с плоским экраном (плазменные, люминесцентные, жидкокристаллические). Мониторы с плоским экраном имеют малый вес и размеры, незначительное потребление электроэнергии, длительной срок использования. В них отсутствует рентгеновское излучение.

Клавиатура используется для ручного ввода информации в компьютер.

Графический планшет (дигитайзер) используется для ручного ввода графической информации.

---

Манипулятор типа "мышь" используется для обработки информации на экране компьютера (выделение, перемещение, форматирование и другие). Кроме манипулятора типа «мышь» к устройствам управления курсором относятся джойстик, трекбол и другие [6, стр. 200].

Накопитель как внешнее устройство используется для записи/считывания информации в процессе выполнения какой-либо задачи [6, стр. 178]. В качестве накопителей используются накопители на гибких магнитных дисках (дискеты), накопители на жестких магнитных дисках (HDD), стриммеры, оптические запоминающие устройства (CD-диски, DVD-диски), твердотельные накопители (SSD). HDD состоят из одного или нескольких дисков, закрепленных на общей оси. Каждый диск обслуживает отдельная магнитная головка для записи/считывания информации. SSD работают на основе микросхем памяти и могут быть использованы вместо HDD [11, стр. 50]. В стриммерах запись информации осуществляется на магнитную ленту. В оптических запоминающих устройствах запись информации осуществляется на видеопластины. Внешние накопители используются также для резервирования данных с целью увеличения надежности работы вычислительной системы.

Принтеры используются для распечатки сформированной информации (документов). По типу печати принтеры разделяются на матричные, струйные, лазерные. По цветовой гамме принтеры разделяются на цветные и черно-белые. Матричные принтеры только черно-белые.

Графопостроитель (плоттер) используется для распечатки карт, чертежей, схем, графической информации с большой точностью.

Сканеры используются для преобразования распечатанных документов в электронный вид [6, стр. 171]. В сканере поверхность изображения освещается перемещающимся световым лучом, а фотоэлемент воспринимает отраженный свет и преобразует его в электрический сигнал. Далее аналоговый сигнал преобразуется в цифровой и поступает в компьютер. Принтеры и сканеры могут быть как отдельными устройствами так и устройствами, в которых объединены функции принтера, сканера и копировального устройства.

Акустические системы используются для воспроизведения звуковой информации. Акустические системы могут быть как встроенные, так и внешние [10, стр. 12]. Кроме того, акустические системы разделяются на пассивные и активные. Пассивные акустические системы не имеют усилителя и подключаются непосредственно к звуковой карте.

Мультиплексоры передачи данных (МПД) это устройства, предназначенные для распределения передачи данных от ЭВМ к различным пользователям, в том числе для удаленных ЭВМ по схеме ЭВМ-МПД-модем-канал связи-модем-пользователь (от 1 до N) или ЭВМ1-МПД-модем-канал связи-модем-МПД-ЭВМ2.

---