Файл: Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем (Классификация, состав и свойства вычислительных систем).pdf

Введение

Вычислительные машины за свою почти 70—летнюю историю прошли стремительный и впечатляющий путь, отмеченный сменой нескольких поколений ЭВМ. Однако в этом процессе развития можно выявить явную закономерность: на протяжении всего периода развития средств электронной вычислительной техники доминирующую роль играла классическая структура ЭВМ (структура фон Неймана), которая основана на методах последовательных вычислений.

Термин «вычислительная система» появился в начале — середине 60-х гг. при создании ЭВМ третьего поколения. В это время появилась новая элементная база — интегральные схемы, и, как следствие, появились новые технические решения: разделение процессов обработки информации и ее ввода—вывода, множественный доступ и коллективное использование вычислительных ресурсов в пространстве и во времени. Появились сложные режимы работы ЭВМ — многопользовательская и многопрограммная обработка. Отражая эти новшества, и появился термин «вычислительная система».

Причиной выбора темы исследования стал тот факт, что вычислительная система – это основа архитектуры любого вычислительного устройства, начиная простейшим микроконтроллером и заканчивая сложнейшим суперкомпьютером. Без понимания принципов построения и характеристик вычислительной системы невозможно разобраться в принципах работы компьютерной техники. В этом заключается значимость темы исследования.

Предметом исследования в настоящей курсовой работе являются вычислительные системы. Цель написания курсовой работы – подробное изучение их структуры, разновидностей и основных компонентов вычислительных систем. Для успешного достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• дать понятие вычислительных систем, рассмотреть существующие на сегодняшний день классификации;
• изучить состав вычислительных систем и их структуру;
• рассмотреть основные характеристики и свойства вычислительных систем;
• дать характеристику информационного и математического обеспечения вычислительных сетей.

Источником информации для написания настоящей курсовой работы послужили учебные пособия, научно—популярная литература и статьи, посвященные вычислительным системам. Среди них учебные пособия Бройдо В.Л., Симоновича С.В., Козлова В.Н., Пятибратова А.П. и других авторов, книги Андреева А.М., Горнец Н.Н. Также был использован ряд интернет-источников, на которых размещены лекции по теме курсовой работы. Все источники подробно раскрывают тему вычислительных систем, информация указана в доступной форме, с учетом последних исследований. Именно поэтому данные источники можно считать надежными и достоверными.

---

 1. Классификация, состав и свойства вычислительных систем

Понятие и классификация вычислительных систем

Вычислительная система (ВС) – это совокупность ЭВМ и средств программного обеспечения, которая предназначена для выполнения вычислительных процессов. Иными словами, вычислительная система – это любая автоматизированная система, основанная на использовании ЭВМ [4, с. 37].

Вычислительная система может рассматриваться как частный случай электронной системы, которая предназначена для обработки входных сигналов и выдачи выходных сигналов (рисунок 1). В качестве входных и выходных сигналов могут использоваться аналоговые сигналы, одиночные цифровые сигналы, цифровые коды, последовательности цифровых кодов. Внутри системы производится хранение, накопление сигналов (или информации).

Рисунок 1 — Вычислительная система [3]

Прежде чем рассматривать состав вычислительных систем, необходимо охарактеризовать их классификацию. Существует большое количество признаков, по которым классифицируют вычислительные системы [6, с. 118]. В Приложении 1 представлена принципиальная схема классификации вычислительных систем. К примеру, по назначению вычислительные системы делят на универсальные и специализированные. Специализированные системы ориентированы на решение узкого класса задач, в отличие от универсальных, предназначенных для широкого спектра задач.

По типу построения вычислительные системы разделяются на многомашинные и многопроцессорные. Это означает, что вычислительные системы могут строиться на базе нескольких компьютеров или на базе нескольких процессоров. В первом случае ВС будет многомашинной, во втором — многопроцессорной [1, с. 59].

Многомашинные вычислительные системы (ММС) появились раньше, чем многопроцессорные. Основные отличия ММС заключаются в организации связей и обмена информацией между ЭВМ, входящими в комплекс. Многомашинная ВС содержит некоторое число компьютеров, информационно взаимодействующих между собой. Машины могут находиться рядом друг с другом, либо быть удалены друг от друга на некоторое, иногда значительное расстояние (вычислительные сети). В многомашинных ВС каждый компьютер работает под управлением своей операционной системы (ОС). А поскольку обмен информацией между машинами выполняется под управлением ОС, взаимодействующих друг с другом, динамические характеристики процедур обмена несколько ухудшаются, т.к. требуется время на согласование работы самих ОС. Информационное взаимодействие компьютеров в многомашинной ВС может быть организовано на уровне процессоров, оперативной памяти, каналов связи [10, с. 118].

---

При непосредственном взаимодействии процессоров друг с другом информационная связь реализуется через регистры процессорной памяти и требует наличия в ОС весьма сложных специальных программ.
Взаимодействие на уровне оперативной памяти (ОП) сводится к программной реализации общего поля оперативной памяти, что несколько проще, но также требует существенной модификации ОС. Под общим полем имеется в виду равнодоступность модулей памяти: все модули памяти доступны всем процессорам и каналам связи [4, с.124].

На уровне каналов связи взаимодействие организуется наиболее просто и может быть достигнуто внешними по отношению к ОС программами—драйверами, которые обеспечивают доступ от каналов связи одной машины к внешним устройствам других (формируется общее поле внешней памяти и общий доступ к устройствам ввода—вывода).

Многопроцессорные системы (МПС) содержат несколько процессоров, информационно взаимодействующих между собой либо на уровне регистров процессорной памяти, либо на уровне ОП [1, с. 61]. Этот тип взаимодействия организуется значительно проще и сводится к созданию общего поля оперативной памяти для всех процессоров. Общий доступ к внешней памяти и устройствам ввода—вывода обеспечивается обычно через каналы оперативной памяти. Многопроцессорная вычислительная система работает под управлением единой ОС, общей для всех процессоров. Это существенно улучшает динамические характеристики ВС, но требует наличия специальной, весьма сложной ОС. 

Однако МПС имеют и существенные недостатки. Они, в первую очередь, связаны с использованием ресурсов общей оперативной памяти. При большом количестве объединяемых процессоров возможно возникновение конфликтных ситуаций, когда несколько процессоров обращаются с операциями типа «чтение» и «запись» к одним и тем же ячейкам памяти. Помимо процессоров, к ОП подключаются все процессоры ввода—вывода, средства измерения времени и пр. Поэтому вторым серьезным недостатком МПС является проблема коммутации и доступа абонентов к ОП. Опыт построения подобных систем показал, что они эффективны при небольшом числе объединяемых процессоров (от 2 до 10) [11, с. 92].

По типу ЭВМ или процессоров, используемых для построения ВС, различают однородные и неоднородные системы. Однородная ВС строится на базе однотипных компьютеров или процессоров [10, 126]. Однородные системы позволяют использовать стандартные наборы технических, программных средств, стандартные протоколы (процедуры) сопряжения устройств, поэтому их организация значительно проще, облегчается обслуживание систем и их модернизация.

---

Неоднородная ВС включает в свой состав различные типы компьютеров или процессоров. При построении системы приходится учитывать их различные технические и функциональные характеристики, что существенно усложняет создание и обслуживание неоднородных систем.

По методам управления элементами ВС различают централизованные, децентрализованные и ВС со смешанным управлением. В централизованных ВС за управление отвечает главная или диспетчерская ЭВМ (процессор). Ее задачей является распределение нагрузки между элементами, выделение ресурсов, контроль состояния ресурсов, координация взаимодействия [15, с. 103]. Централизованный орган управления в системе может быть жестко фиксирован, или эти функции могут передаваться другой ЭВМ (процессору), что способствует повышению надежности системы. Централизованные системы имеют более простые ОС.

В децентрализованных системах функции управления распределены между ее элементами. Каждая ЭВМ (процессор) системы сохраняет некоторую автономию, а необходимое взаимодействие между элементами устанавливается по специальным наборам сигналов [7, с. 51].

В системах со смешанным управлением совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управления. Перераспределение функций осуществляется в ходе вычислительного процесса, исходя из сложившейся ситуации.

По принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ (процессорами) различают системы с жестким и плавающим закреплением функций [6, с. 131]. В зависимости от типа ВС следует решать задачи статического или динамического размещения программных модулей и массивов данных, обеспечивая необходимую гибкость системы и надежность ее функционирования.

По степени территориальной разобщенности вычислительных модулей ВС делятся на системы: 

• территориально—сосредоточенные, в которых все компоненты располагаются в непосредственной близости друг от друга;
• распределенные, где компоненты могут располагаться на значительном расстоянии, например, вычислительные сети [12, с. 46];
• структурно—одноуровневые, в которых имеется лишь один общий уровень обработки данных;
• многоуровневые (иерархические) структуры, где в иерархических ВС машины или процессоры распределены по разным уровням обработки информации, некоторые машины (процессоры) могут специализироваться на выполнении определенных функций [6, с. 146].

По режиму работы различают системы, работающие в оперативном и неоперативном временных режимах. Первые, как правило, используют режим реального масштаба времени. Этот режим характеризуется жесткими ограничениями на время решения задач в системе и предполагает высокую степень автоматизации процедур ввода—вывода и обработки данных [4, с. 139].

---

Состав и структура вычислительных систем

Состав вычислительной системы называется конфигурацией. Аппаратные и программные средства вычислительной техники принято рассматривать отдельно, и соответственно, отдельно рассматривается аппаратная конфигурация вычислительных систем и их программная конфигурация. Такой принцип разделения имеет особое значение, поскольку очень часто решение одних и тех же задач может обеспечиваться как аппаратными, так и программными средствами [5]. Критериями выбора аппаратного или программного решения являются производительность и эффективность. Обычно принято считать, что аппаратные решения в среднем оказываются дороже, однако реализация программных решений требует более высокой квалификации персонала.

К аппаратному обеспечению вычислительных систем относятся устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию. Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочно—модульную конструкцию — аппаратную конфигурацию, необходимую для исполнения конкретных видов работ, которую можно собирать из готовых узлов и блоков [5].

По способу расположения устройств относительно центрального процессорного устройства (ЦПУ— Central Processing Unit, CPU) различают внутренние и внешние устройства. Внешними, как правило, являются большинство устройств ввода—вывода данных (их также называют периферийными устройствами) и некоторые устройства, которые предназначены для длительного хранения данных.

Согласование между отдельными узлами и блоками выполняют с помощью переходных аппаратно—логических устройств, которые называют аппаратными интерфейсами. Стандарты на аппаратные интерфейсы в вычислительной технике называют протоколами. Таким образом, протокол — это совокупность технических условий, которые должны быть обеспечены разработчиками устройств для успешного согласования их работы с другими устройствами [4, с. 155].

Многочисленные интерфейсы, присутствующие в архитектуре любой вычислительной системы, можно условно разделить на две большие группы: последовательные и параллельные. Через последовательный интерфейс данные передаются последовательно, бит за битом, а через параллельный — одновременно группами битов [13]. Количество битов, участвующих в одной посылке, определяется разрядностью интерфейса, например, восьмиразрядные параллельные интерфейсы передают один байт (8 бит) за один цикл.

---